【C++ STL string ：深入浅出 从入门到实战】

你好，这里是新人 Sunfor

这篇是我最近对于C++ STL string的学习心得和错题整理
有任何错误欢迎指正，欢迎交流！
会持续更新，希望对你有所帮助，我们一起学习，一起进步

前言 : 为什么需要字符串类？

在C语言时代，开发者需要手动管理字符数组，容易遇到缓冲区溢出和内存泄漏等问题，这些问题使得处理文本数据变得复杂且危险。为了解决这些问题，C++标准库中的std::string 应运而生，成为现代C++开发中处理文本数据的核心开发工具。接下来，本文将介绍如何掌握这一强大的容器类，帮助大家更好地管理和操作字符串数据。

一、string的本质

1.1 什么是string

string 是C++ 标准模板库 — STL 提供的动态字符串类，定义于头文件中，实质是basic_string 模板类的特化版本，它封装了字符序列的存储与管理，是传统C风格字符数组 — char[ ]的现代化替代方式

1.2 与C语言中字符串对比

1.2.1 什么时候使用C字符串？

• 嵌入式开发： 内存极度受限且需避免动态分配
• 跨语言交互：与纯C库API直接交互，需注意生命周期管理
• 性能敏感场景：固定小文本的极高频操作，需充分测试验证

二、使用string的五大核心优势

2.1 安全性保障：构建代码防护屏障

• 自动扩容机制
  问题背景：C语言中strncat等函数需手动计算目标缓冲区剩余空间，极易因计算错误导致缓冲区溢出
  string如何解决：append()方法自动检测容量，若空间不足，则触发动态扩容，完全避免溢出风险
• 边界安全防护
  at()方法：提供带异常的安全访问，越界时抛出
  std::out_of_range异常，便于错误捕获与处理
  operator[ ] 对比:直接下标访问无检查，性能高，但需要开发者自行确保索引合法

2.2 开发效率提升：代码简洁之道

• 操作符重载

if(s1 == s2){...} //替代 strcmp()
s1 += s2; //替代strcat()
s3 = s1 + " "+ s2;//链式拼接

全面支持：包括 ==、!=、<、>、+、+=等运算符，代码可读性显著提高

• 链式调用
  方法设计：成员函数返回string& 支持连续操作，简化多步骤修改：

s.append("World");.erase(0,5);.insert(0,"Hello");

2.3 功能高度集成：一站式解决方案

• 常用操作内置
  查找与替换：

size_t pos = s.find("bug");
if(pos != string::npos)
{s.replace(pos,3,"feature");//找到具体的位置进行替换
}

子串提取：

string sub = s.substr(2,5);//从索引2截取到索引5

• 正则表达式

#include<regex>
regex pattern(R"(\d{3}-\d{8})");
if(regex_search(s,pattern))
{cout << "找到电话号码";
}

2.4 内存优化机制：性能与资源的平衡

• 短字符串优化
  实现多数编译器 将长度 <= 15 的字符串直接存储在对象内部栈空间，避免堆分配开销 使短字符串操作效率接近静态数组
• 容量精细控制
  使用reserve() 提前分配足够容量 减少扩容次数
  使用shrink_to_fit() 释放多余内存

string s;
s.reserve(1000);
s = "Hello";
s.shrink_to_fit();//收缩至实际大小

2.5 生态兼容性：无缝衔接C++

• 流式交互
  直接与标准流对象协作，支持格式化输入输出

string name;
cout << "请输入姓名：" ;
cin >> name ;
cout << name << "你好" << endl;

• SLT算法兼容
  泛式编程支持：暴露迭代器接口，可以直接使用中的100+算法；

sort(s.begin(),s.end());
auto it = find(s.begin(),s.end(),'x');

• 跨API桥梁
  通过c_str()和data() 与C接口兼容

void legacy_print(const char* str);
legacy_print(s.c_str());

三、从零开始使用string

3.1 基础操作

• 初始化方式：灵活构建字符串

//基础初始化
string s1;//默认构造 空字符串 不分配堆内存
string s2("Hello");//C风格字符串构造 自动计算长度
string s3(5, 'A');//重复字符构造 5个'A' "AAAAA"
string s4(s2, 1, 3);//子串构造 从索引1取3字符 长度超限则截断
//s4(s2,start,length) start > s2.size 则触发out_of_range异常string s5 = "happy everyday"sv; //sv表示一个轻量级的只读字符串视图
//将s2的资源转移到s6 s6接管了原本属于s2的堆内存 避免拷贝操作 提高性能
string s6(move(s2));//移动后 s2的状态变为空字符串
string s7{"trying you best"};// 用大括号统一初始化

• 字符串拼接：多策略与性能优化

//运算符重载
string greeting = "Hello, " + name + "!";//隐式构造临时对象
s2.append("World").push_back('!');
//高性能拼接
s2.reserve(50);.push_back('!')
s2 += "Welcome";
s2.append(3, '!');ostringstream oss;
oss << "Value:" << 42 <<",PI: " << 3.1415;
string complex_str = oss.str;

• 元素访问 ： 安全与效率的权衡

//快速访问
char first = s2[0];
char last = s2[s2.size() - 1];try
{char c = s2.at(100);
}
catch (const exception& e)
{cerr << "ERROR:" << e.what();
}
修改内容
s2.front() = 'h';
s2.back() = '?';

• 长信息获取： 深入理解容量管理

//基础信息
if(!s1.empty())
{cout << "Length:" << s1.size( << endl;)
}//容量管理
s2.reserve(100);
cout << "Capacity:" << s2.capacity() << endl;
s2.shrink_to_fit();

3.2 进阶操作

• 查找与替换：精确的文本操作

//单次查找替换
string s1 = "hello world";
size_t pos = s1.find("world");
if(pos != string::npos)
{s2.replace(pos,5,"C++");
}//全局替换
string text = "apple,apple,apple";
size_t start = 0;
while(pos = text.find("apple",start) != string::npos)
{text.replace(pos,5,"orange");start = pos + 6;//跳过被替换的部分
}//高级替换
replace_if(text.begin(),text.end(),[](char c){return isdigit(c);},'#');

• 子串提取分割：结构化数据处理

//基础子串提取
string s = "Welcome to C++ world!";
string sub = s.substr(6,3);//分割字符串
vector<string> tokens;
size_t pos = 0;
while((pos = s.find(' ',start)) != string::npos)
{tokens.push_back(s2.substr(start,pos-start));start = pos + 1;
}
tokens.push_back(s.substr(start));//使用stringstream分割
istringstream iss("data1,data2,data3");
string item;
while(getline(iss,item,','))
{//处理每个分割后的数据
}

• 修改操作：精细控制内容

//插入与删除
string s = "Hello C++!";
s.insert(5,"Dear");
s.erase(0,6)//批量修改
s.replace(s.begin(),s.begin()+4,"####");//清空与重置
s.clear();
s = "New string";//交换内容
string s_temp = "Temp";
s2.swap(s_temp);

• 迭代器遍历：兼容STL算法

//传统迭代器
for(auto it = s.begin();it!=s.end();)
{if(*it == ' ');{it = s2.erase(it);}else{++it;}
}//反向迭代器
for(auto rit = s.rbegin();rit!=s.rend();++rit)
{cout << *rit;
}//结合算法库
sort(s2.begin(),s2.end());
auto uniq_end = unique(s2.begin(),s2.end());
s2.erase(uniq_end,s2.end());

• C字符串转换：兼容传统接口

//安全转换
const char* cstr = s2.c_str();//只读//可写缓冲区拷贝
char buffer[50];
size_t copied = s2.copy(buffer,sizeof(buffer)-1);//避免溢出
buffer[copied] = '\0';//手动添加终止符//风险操作
strcpy(buffer,s2.data());

四、实践中的注意事项

• 1.短字符串优化：通过union实现栈内存与堆内存的自动切换
  使用条件如下：

if(length <= 15)
{store_in_local_buffer();//栈存储
}
else
{allocate_dynamic_memory();//堆存储
}

常见误区：

string s(1000,'x');
s.clear();//仅清空数据 capacity仍为1000

如何正确处理：

s.shrink_to_fit();//请求释放内存
assert(s.capacity() <= s.size());//验收收缩结果

• 2.reserve()预分配
  使用条件：

• 已知或可估算字符串最终长度
• 涉及连续大量追加操作

常见误区：

str.reserve(10000);//盲目预分配导致内存浪费
for(int i = 0;i < le6;i++) str += data;//未预分配 导致多次扩容

正确处理：

//动态计算预分配量
size_t estimated_len = base_len * 1.3;
str.reserve(estimated_len);//监控扩容次数验证效果
auto old_cap = str.capacity();
str.append(data);
if(str.capacity()!= old_cap)
{cout << "发生扩容，需调整预估值";
}

• 3.c_str() C接口交互
  使用条件：

• 需要向C语言传递字符串
• 临时获取不可变字符指针

常见误区

const char* p = str.c_str();
str += "修改内容";//可能导致p失效
fprintf(file,p);//未定义行为char buf[10];
strcpy(buf,str.c_str());//未检查长度导致溢出

正确处理

//安全生命周期
{string tmp = get_data();legacy_api(tmp.c_str());//限制tmp的作用域
}//带长度检查拷贝
if(str.size()< buf_size)
{str.copy(buf,str.size());buf[str.size()] = '\0';
}

• 4.substr()子串操作
  使用条件：

• 截取已知安全范围的子串
• 处理单字节编码文本

常见误区

//mistake:多字节字符截断
string cn = "桑芙芙酱";
cout << cn.substr(1, 2);//输出乱码//mistake:越界访问
string s = "abc";
s.substr(5, 2);

正确处理

//使用ICU库处理Unicode
UnicodeString ustr = UnicodeString::fromUTF8(cn);
ustr.tempSubString(1,2).toUTF8String(result);//安全边界检查
size_t start = std::min(pos,s.length());
size_t count = std::min(len,s.length()-start);
s.substr(start,count);

• 5.append()高效拼接
  使用条件：

• 需要连续追加多个数据片段
• 涉及不同类型数据转换

常见误区

str += "A" + to_string(num) + "B";//类型混淆风险
str.append(100,'X');
str.append(100,65);//添加了100个'A'

正确处理

//批量化操作
str.reserve(total_len);
str.append(datal).append(data2).append(data3);//类型安全转换
ostringstream oss;
oss << fixed << setprecision(2) << 3.1415;
str.append(oss.str());

五、例题解析

(1) c_str()理解运用

//关于代码输出的正确结果是
#include<iostream>
#include<string.h>using namespace std;int main(int argc, char *argv[]){string a="hello world";string b=a;if (a.c_str()==b.c_str()){cout<<"true"<<endl;}else cout<<"false"<<endl;string c=b;c="";if (a.c_str()==b.c_str()){cout<<"true"<<endl;}else cout<<"false"<<endl;a="";if (a.c_str()==b.c_str()){cout<<"true"<<endl;}else cout<<"false"<<endl;return 0;} 

分析：
c_str()比较的是指针地址，而非字符串的内容
a和b的值虽然相同，但是a和b是两个不同的对象，内部数据存储的位置也不相同，所以第一次比较输出false
c="“只改变c的内容，不改变c的地址，更不改变b，所以第二次比较输出的还是false
a=”"也同理可得，第三次比较同样输出false

(2) 字符串查找及npos使用

//下面程序的输出结果正确的是
int main(int argc, char *argv[]){string strText = "How are you?";string strSeparator = " ";string strResult;int size_pos = 0;int size_prev_pos = 0;while((size_pos=strText.find_first_of(strSeparator, size_pos)) != string::npos){strResult = strText.substr(size_prev_pos, size_pos-size_prev_pos);cout<<strResult<<" ";size_prev_pos = ++size_pos;}if(size_prev_pos != strText.size()){strResult = strText.substr(size_prev_pos, size_pos-size_prev_pos);cout<<strResult<<" ";}cout<<endl;return 0;}

分析：

(3)string运用

字符串相加：
给定两个字符串形式的非负整数 num1 和num2 ，计算它们的和并同样以字符串形式返回。
你不能使用任何內建的用于处理大整数的库（比如 BigInteger）， 也不能直 接将输入的字符串转换为整数形式。

分析：
不能将字符串转换为整形 所以我们就需要逐位相加 管理进位 从而实现两个长整数的字符串相加
最后返回的结果还是字符串 所以要注意将进位后的字符串进行反转

class Solution {
public:string addStrings(string num1, string num2) {int i = num1.size() - 1;//初始化为num1的最后一个索引int j = num2.size() - 1;//初始化为num2的最后一个索引int carry = 0;//用于存储进位string result;//存储最后的和result.reserve(max(num1.size(), num2.size()) + 1);//预先为结果分配内存，用于提高性能while(i >= 0|| j >= 0|| carry >0){int sum = carry;if (i >= 0) sum += num1[i--] - '0';//将字符转换为数字加到sum中if (j >= 0) sum += num2[j--] - '0';carry = sum / 10;//整除10得到下一个进位sum = sum % 10;//取模10得到当前位的和result += ('0' + sum);}if(carry == 1){result += '1';//如果处理完所有位后还有进位 则将其添加到结果中}reverse(result.begin(),result.end());//反转最终的结果return result.empty() ? "0" : result;}
};

找出字符串中的第一个唯一字符
给定一个字符串 s ，找到 它的第一个不重复的字符，并返回它的索引 。如果不存在，则返回 -1

分析：
因为给定的字符串都是字母 所以可以开辟一个数组 统计数组中字符出现的次数 再遍历一次数组 将统计后值为1的字符输出

class Solution {
public:int firstUniqChar(string s) {//因为对应的都是小写字母 所以开辟一个26个字符的数组int count[26] = {0};//统计次数for(auto ch : s){//出现就++count[ch - 'a']++;}//怎么找只出现一次的字符//再用下标去遍历for(size_t i = 0;i < s.size();++i){if(count[s[i] - 'a'] == 1)return i;}return -1;}};

字符串相乘
给定两个以字符串形式表示的非负整数 num1 和 num2，返回 num1 和 num2 的乘积，它们的乘积也表示为字符串形式。
注意：不能使用任何内置的 BigInteger 库或直接将输入转换为整数。

分析：
逐位相乘，从低位到高位遍历两个数的每一位，计算乘积并累加到结果字符串的对应位置，实时更新进位，确保每一位的值不超过9，乘积的位置符合手工计算的规则，最后要去除前导零，确保格式的正确

class Solution {
public:string multiply(string num1, string num2) {if (num1 == "0" || num2 == "0") return "0";const int n = num1.size(), m = num2.size();string res(n + m, '0');// 预处理为数字数组（避免重复转换）int* pre_num1 = new int[n]; // 动态数组替代vectorint* pre_num2 = new int[m];for (int i = 0; i < n; i++) pre_num1[i] = num1[i] - '0';for (int j = 0; j < m; j++) pre_num2[j] = num2[j] - '0';// 主计算逻辑for (int i = n-1; i >= 0; i--) {int carry = 0; // 实时进位追踪int x = pre_num1[i];for (int j = m-1; j >= 0; j--) {int y = pre_num2[j];int pos = i + j + 1;// 单次计算包含当前乘积和进位int total = x * y + (res[pos] - '0') + carry;res[pos] = (total % 10) + '0';carry = total / 10; // 更新进位}res[i] += carry; // 处理每行最后的进位}delete[] pre_num1; // 释放内存delete[] pre_num2;// 去除前导零size_t pos = res.find_first_not_of('0');return (pos != string::npos) ? res.substr(pos) : "0";}
};