【C++】string类

C++ 中的 string类 相较于其他语言（Java、python等）的 string类 感觉更像是对 char 数组的封装。因为 C++ 的 string类 暴露了 C 风格的字符串的指针，所以允许直接操作底层数据。而 Java、python 等语言中，用户无法直接访问或修改底层数组，只能通过接口生成新字符串。

1. 标准库中的 string类

1.1 使用前提

在使用 string 类时，必须包含 #include <iostream> 以及 using namespace std;，当然因为 string 类是在 std 的命名域中，你不展开标准库的命名域，直接使用 std::string 也是可以的。

1.2 auto 和 范围for

之前的文章中，我们就提到过 auto 和范围for，string 中就存在着迭代器，所以它也是能够支持使用这种写法的。

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{string str("hello world");for (auto c : str){cout << c;}cout << endl;return 0;
}

1.3 string类的常用接口

1. string类对象的常见构造

函数名称	功能说明
string()	构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s)	用C-string来构造string对象
string(size_t, char c)	string类对象中包含n个字符c
string(const string& s)	拷贝构造函数

void Teststring()
{string s1; // 构造空的string类对象s1string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

2. string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty	检测字符串是否为空，是返回true，否则返回false
clear	清空有效字符
reverse	为字符串预留空间
resize	将有效字符串的个数改成n个，多出的空间用字符 c 填充

注意：

1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符 c 来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

3. string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[]	返回pos位置的字符，const string类对象使用
begin+end	begin 获取一个字符的迭代器，end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin + rend	rbegin 获取最后一个字符的迭代器，rend 获取第一个字符前一个位置的迭代器
范围for	C++11 支持

4. string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串后尾插字符c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+=	在字符串后追加字符串str
c_str	返回C风格字符串
find + npos	从字符串pos位置开始找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串pos位置开始向前找字符c，返回该字符在字符串中的位置
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

注意：

1. 在string尾部追加字符时，s.push_back© / s.append(1, c) / s += 'c’三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
2. 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好

5. string类非成员函数

函数名称	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>	输入运算符重载
operator<<	输出运算符重载
getline	获取一行字符串
relational operators	大小比较

6. vs和g++下string结构的说明
   注意：下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节。
   • vs下string的结构
     string总共占28个字节，内部结构稍微复杂一点，先是有一个联合体，联合体用来定义string中字符串的存储空间：
     • 当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
     • 当字符串长度大于等于16时，从堆上开辟空间

union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger onevalue_type _Buf[_BUF_SIZE];pointer _Ptr;char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那string对象创建好之后，内部已经有了16个字符数组的固定空间，不需要通过堆创建，效率高。
其次：还有一个size_t字段保存字符串长度，一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量
最后：还有一个指针做一些其他事情。
故总共占16+4+4+4=28个字节

• g++下string的结构
  G++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节，内部只包含了一个指针，该指针将来指向一块堆空间，内部包含了如下字段：
  • 空间总大小
  • 字符串有效长度
  • 引用计数
  • 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

struct _Rep_base
{size_type _M_length;size_type _M_capacity;_Atomic_word _M_refcount;
};

2. string类的模拟实现

值得讲一下的也就是拷贝构造和赋值重载两个深拷贝有关的。

2.1 传统写法的拷贝构造和赋值重载

		// 拷贝构造string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}// 赋值重载string& operator=(const string& s){if (this != &s){delete[] _str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;}

虽然说这样也可以实现，但是其实代码量挺大的，可以用现代写法去替代。

2.2 现代写法的拷贝构造和赋值重载

现代写法其实就是通过构造出我们要拷贝的内容，然后直接交换相应的数值和指针，写法简单很多。

void swap(string& s)
{std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);
}// 拷贝构造的现代写法
string(const string& s)
{string tmp(s._str); // 直接通过s构造一个一样的tmpswap(tmp); // 再交换
}/* 还可以优化
string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){string tmp(s);swap(tmp);}return *this;
}*/// 赋值重载的现代写法
string& operator=(string tmp) // 原来是传一个const引用，但是其实你进行赋值还是要拷贝tmp里面的内容，不如直接让编译器进行构造，然后交换
{swap(tmp);return *this;
}

string.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <string>using namespace std;namespace zkp
{class string{public:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator begin() const{return _str;}const iterator end() const{return _str + _size;}/*string():_str(new char[1]{'\0'}),_size(0),_capacity(0){ }*/string(const char* str = ""){_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];//strcpy(_str, str); 不知道为什么这里会报不安全的错误，最上面都已经加了那串东西了for (int i = 0; i < _size; ++i){_str[i] = str[i];}_str[_size] = '\0';}/* 太传统了string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}*/void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 拷贝构造的现代写法string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);}// 赋值重载传统写法/*string& operator=(const string& s){if (this != &s){delete[] _str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;}*//* 还是不够简单string& operator=(const string& s){if (this != &s){string tmp(s);swap(tmp);}return *this;}*/// 赋值重载的现代写法string& operator=(string tmp){swap(tmp);return *this;}~string(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}}const char* c_str() const{return _str;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}void reserve(size_t n);void push_back(char ch);void append(const char* str);string& operator+=(char ch);string& operator+=(const char* str);void insert(size_t pos, char ch);void insert(size_t pos, const char* str);void erase(size_t pos, size_t len = npos);size_t find(char ch, size_t pos = 0);size_t find(const char* str, size_t pos = 0);string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;//static const size_t npos = -1;static const size_t npos;};bool operator<(const string& s1, const string& s2);bool operator<=(const string& s1, const string& s2);bool operator>(const string& s1, const string& s2);bool operator>=(const string& s1, const string& s2);bool operator==(const string& s1, const string& s2);bool operator!=(const string& s1, const string& s2);ostream& operator<<(ostream& out, const string& s);istream& operator>>(istream& in, string& s);
}

string.cpp

#include "string.h"namespace zkp
{const size_t string::npos = -1;void string::reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void string::push_back(char ch){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size++] = ch;_str[_size] = '\0';}string& string::operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}void string::append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& string::operator+=(const char* str){append(str);return *this;}void string::insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}size_t end = _size + 1;while (pos < end){_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;++_size;}void string::insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}size_t end = _size + len;while (pos < end){_str[end] = _str[end - 1];--end;}for (int i = 0; i < len; ++i){_str[i + pos] = str[i];}_size += len;}void string::erase(size_t pos, size_t len){assert(pos < _size);if (len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{for (size_t i = pos + len; i <= _size; ++i){_str[i - len] = _str[i];}_size -= len;}}size_t string::find(char ch, size_t pos){assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; ++i){if (_str[i] == ch)return i;}return npos;}size_t string::find(const char* str, size_t pos){assert(pos < _size);const char* ptr = strstr(_str + pos, str);if (ptr == nullptr){return npos;}else{return ptr - _str;}}string string::substr(size_t pos, size_t len){assert(pos < _size);// len 大于剩余字符长度，更新一下lenif (len > _size - pos){len = _size - pos;}string sub;sub.reserve(len);for (size_t i = 0; i < len; ++i){sub += _str[pos + i];}return sub;}bool operator<(const string& s1, const string& s2){return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;}bool operator<=(const string& s1, const string& s2){return s1 < s2 || s1 == s2;}bool operator>(const string& s1, const string& s2){return !(s1 <= s2);}bool operator>=(const string& s1, const string& s2){return !(s1 < s2);}bool operator==(const string& s1, const string& s2){return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;}bool operator!=(const string& s1, const string& s2){return !(s1 == s2);}ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){for (auto ch : s){out << ch;}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();const int N = 256;char buf[N];int i = 0;char ch;//in>>chch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buf[i++] = ch;if (i == N - 1){buf[N] = '\0';s += buf;i = 0;}ch = in.get();}if (i > 0){buf[i] = '\0';s += buf;}return in;}
}