1. 前言
String是C++中操作字符串的类，它是在比较早的时候设计的STL模板，因此在某些地方设计的有些冗余
对于String类，不仅仅是学会使用它，更重要的是要从底层去理解它；本篇文章将从底层出发，模拟实现常用的String类接口（实现方式与不同平台下的标准库中的实现不一定相同）
2. 接口
2.1 成员函数
// 构造
string(const char* str = "");
// 拷贝构造
string(const string& s);
// 赋值运算符重载
string& operator=(const string& s);
// 析构
~string();
2.2 迭代器
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
// 可读可写
iterator begin();
iterator end();
// 只读
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
2.3 容量
// 元素个数
size_t size() const;
// 当前容量
size_t capacity() const;
// 当 n < size 时，缩容，不改变capacity
// 当 size <= n <= capacity 时，什么都不做
// 当 size >= capacity 时，扩容，用 ch 补剩余元素
void resize(size_t n, char ch = '\0');
// 当 n <= capacity 时，不改变capacity
// 当 n > capacity 时，扩容
void reserve(size_t n);
2.4 修改
// 尾插
void push_back(char ch);
// 追加一个字符/字符串
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char* str);
// 追加字符串
void append(const char* str);
// 清空字符串（不改变容量）
void clear();
// 在pos位置插入一个字符/字符串
void insert(size_t pos, char ch);
void insert(size_t pos, const char* str);
// 在pos位置删除len个字符
void erase(size_t pos, size_t len = npos);
// 交换
void swap(string& s);
2.5 元素访问
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;
2.6 字符串操作
// 获取字符串
const char* c_str() const;
// 从pos位置开支查找一个字符/字符串
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const;
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const;
// 获取字串
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const;
2.7 非静态成员函数重载
// 比较大小
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);
// 流插入/提取运算符重载
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s);
istream& operator>>(istream& in, string& s);
// 交换
void swap(string& s1, string& s2);
// 获取一行数据
void getline(istream& in, string& s);
3. 模拟实现
namespace byh
{
class string
{
public:
//constructor
string(const char* str = "");
//copy constructor
string(const string& s);
//assignment operator overloading
string& operator=(const string& s);
//destructor
~string();
//iterator
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
//capacity
size_t size() const;
size_t capacity() const;
void resize(size_t n, char ch = '\0');
void reserve(size_t n);
//modify
void push_back(char ch);
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char* str);
void append(const char* str);
void clear();
void insert(size_t pos, char ch);
void insert(size_t pos, const char* str);
void erase(size_t pos, size_t len = npos);
void swap(string& s);
//access
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;
//string operations
const char* c_str() const;
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const;
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const;
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const;
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
static const size_t npos;
};
const size_t string::npos = -1;
//Non-member function overload
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);
void swap(string& s1, string& s2);
void getline(istream& in, string& s);
}
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace byh
{
class string
{
public:
static const size_t npos;
//constructor
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
//copy constructor
string(const string& s)
{
string temp(s.c_str());
swap(temp);
}
//assignment operator overloading
string& operator=(string s)
{
swap(s);
return *this;
}
//destructor
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
//iterator
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;
}
//capacity
size_t size() const
{
return _size;
}
size_t capacity() const
{
return _capacity;
}
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
if (n < _size)
{
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
else
{
reserve(n);
for (int i = _size; i < n; i++)
{
_str[i] = ch;
}
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* temp = new char[n + 1];
strcpy(temp, _str);
_str = temp;
_capacity = n;
}
}
//modify
void push_back(char ch)
{
insert(_size, ch);
}
string& operator+=(char ch)
{
insert(_size, ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* str)
{
insert(_size, str);
return *this;
}
void append(const char* str)
{
insert(_size, str);
}
void clear()
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
void insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2*_capacity);
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
_str[pos] = ch;
_size += 1;
}
void insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
reserve(_size + len);
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len - 1)
{
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
strncpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
}
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
if (len == npos || len >= _size - pos)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}
//swap(s1,s2)
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//access
char& operator[](size_t pos)
{
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const
{
return _str[pos];
}
//string operations
const char* c_str() const
{
return _str;
}
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
assert(pos < _size);
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
return i;
}
return npos;
}
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
{
assert(pos < _size);
char* temp = strstr(_str + pos, str);
if (temp)
return (temp - _str);
else
return npos;
}
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const
{
assert(pos < _size);
string temp;
if (len == npos || _size - pos <= len)
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
temp += _str[i];
}
}
else
{
for (size_t i = pos; i < pos + len; i++)
{
temp += _str[i];
}
}
return temp;
}
private:
char* _str = nullptr;
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0;
};
const size_t string::npos = -1;
//Non-member function overload
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);
}
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 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)
{
out << s.c_str();
return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear();
char ch = 0;
char temp[128] = { 0 };
int i = 0;
ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
temp[i++] = ch;
if (127 == i)
{
temp[i] == '\0';
s += temp;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
temp[i] == '\0';
s += temp;
}
return in;
}
void swap(string& s1, string& s2)
{
s1.swap(s2);
}
void getline(istream& in, string& s)
{
s.clear();
char ch = 0;
char temp[128] = { 0 };
int i = 0;
ch = in.get();
while (ch != '\n')
{
temp[i++] = ch;
if (127 == i)
{
temp[i] == '\0';
s += temp;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
temp[i] == '\0';
s += temp;
}
}
}
4. string的额外知识
string中的扩容机制在不同平台下是不同的
- VS：第一次1.5倍扩容，之后都是2倍扩容
- g++：2倍扩容
void Test_increase_capacity() { string s; size_t sz = s.capacity(); cout << "capacity->" << sz << endl; for (int i = 0; i < 100; i++) { s.push_back('1'); if (sz != s.capacity()) { sz = s.capacity(); cout << "capacity->" << sz << endl; } } } // VS // capacity->15 // capacity->31 // capacity->47 // capacity->70 // capacity->105 // g++ //capacity->0 //capacity->1 //capacity->2 //capacity->4 //capacity->8 //capacity->16 //capacity->32 //capacity->64 //capacity->128造成扩容机制不同的本质原因是VS和g++中string的结构不同
cout << sizeof(string) << endl; // VS:28 // g++:8
VS下string的结构
先是有一个联合体，里面定义了一个长度为16的数组和一个指针
当字符串的长度 <= 16时，使用内部的数组存储字符串
当字符串长度 >16 时，使用指针开辟空间
由于大部分的字符串长度是小于16的，因此直接在栈上开了空间，比去堆上开空间效率高
其次，有一个size_t类型的数据用来表示字符串长度，一个size_t类型的数据用来表示容量
再有一个指针用来干其他事
g++下的string结构
g++下string是用写时拷贝实现的，内部只包含一个指针，该指针指向一块堆空间，里面包含
字符串长度
容量
引用计数
一个指针，用来存放字符串
写时拷贝
当拷贝构造/赋值时，不是开辟新的空间，而是让构造的对象/赋值的对象指向原本的空间，达到节省空间的效果
这样做的问题时：
- 同一块空间会被析构多次
- 修改其中一个对象会影响其他对象
针对问题1的解决方案：当一个对象被析构时，让引用计数count-1，只有当count为0时，再去释放空间
针对问题2的解决方案：当一个对象要被修改时，检查count，如果为1，说明这块空间是该对象独占的，可以任意修改；如果大于1，拷贝新的空间给该对象，count-1
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