【C++升级之路】第八篇：string类

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🍭🍭系列专栏：【C++学习与应用】

✒️✒️本篇内容：简单介绍string类的概念、string类的常用接口、string类的模拟实现（各个常见接口的实现代码）、string代码实现过程中的浅拷贝和深拷贝问题、string类的写时拷贝

🚢🚢作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-

目录

一、为什么要学习string类 

1. C语言中的字符串

2.实际应用

二、标准库中的string类

1.string类基础知识

2.string类的常用接口说明

2.1string类对象的常见构造

2.2string类对象的容量操作

2.3string类对象的访问及遍历操作

2.4string类对象的修改操作

2.5string类非成员函数

2.6vs和g++下string结构的说明

三、string类的模拟实现

1.string类的经典问题

2.浅拷贝

3.深拷贝 

4.现代版的string类（模拟实现代码全集）

5.写时拷贝（了解）

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一、为什么要学习string类 

1. C语言中的字符串

C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合面向对象的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

2.实际应用

在OJ中，有关字符串的题目基本以string类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数。

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二、标准库中的string类

1.string类基础知识

string文档快捷链接https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

【注意】在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

实际上，我们可以将string类理解为一种可以让我们更好使用字符串的一种工具

2.string类的常用接口说明

2.1string类对象的常见构造

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

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

2.2string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size（重点）	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 （重点）	检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点）	清空有效字符
reserve （重点）	为字符串预留空间**
resize（重点）	将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

注意：

• 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( )
•  clear( )只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小
•  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。
•  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。

reserve、resize的具体实验实例如下（区别：reserve更改string类的capacity，resize更改string类的size）

（1）reserve

为 s1 初始分配空间，15。

调用reserve()函数后，空间变为31，即保留空间变大了(string内存分配按照:(n*16-1)分配)。

（2）resize

2.3string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[ ] （重点）	返回pos位置的字符，const string类对象调用
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 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
范围for	C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

 operator[ ] （重点）的意思是将 [ ] 进行了重载

2.4string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+= (重点)	在字符串后追加字符串str
c_str(重点)	返回C格式字符串
find + npos(重点)	从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串pos位置开始往前找字符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】

• 在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / 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。
• 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。

2.5string类非成员函数

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

string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

2.6vs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

首先

• 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

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（size），一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量（capacity）

最后

还会有一个指针用来做其他的事情

我们这里以一个字符串为例,计算字符串所占空间

std::string s1("1234");

故总共占16+4+4+4=28个字节（3个4分别为两个size_t、一个指针）

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（指向堆空间的指针，用来存储字符串），其内部包含了如下字段：

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

• 字符串有效长度
• 空间总大小
• 引用计数

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三、string类的模拟实现

1.string类的经典问题

上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。

大家可以看下下述的string类的实现是否有问题？

// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:
	//String(const char* str = "\0") 错误示范
	//String(const char* str = nullptr) 错误示范
	String(const char* pstr = "")
	{
		// 判断
		if (nullptr == pstr)
		{
			assert(false);
			return;
		}
		_pstr = new char[strlen(pstr) + 1];
		strcpy(_pstr, pstr);
	}
	~String()
	{
		if (_pstr)
		{
			delete[] _pstr;
			_pstr = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _pstr;
};
// 测试
void TestString()
{
	String s1("hello world!");
	String s2(s1);
}

说明：上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

2.浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源（空间），最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享

3.深拷贝 

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

使用深拷贝，可以在拷贝时，将资源（空间）相互区分开来，避免了同一资源被多次释放的问题，下图中就是应用了深拷贝的方法（创造一个新的空间，将信息拷贝到新空间中）

4.现代版的string类（模拟实现代码全集）

string类的模拟实现代码全集

namespace bit
{
	class string
	{
	public:
        // begin() 和 end()
		typedef char* iterator;

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
		

        //构造函数
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];

			strcpy(_str, str);
		}

        //容器中提供的swap()函数并不是交换了两个容器的内容，而是交换了两个容器的地址
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

		// 现代写法
		// s2(s1)
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			string tmp(s._str); // 构造函数
			//this->swap(tmp);
			swap(tmp);
		}

		// s1 = s3;
		string& operator=(string s)
		{
			swap(s);
			return *this;
		}



        //析构函数
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}


        // [] -- 重载
		// 普通对象：可读可写
		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		// const对象：只读
		const char& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}



        //reserve、resize、push_back、append
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;

				_capacity = n;
			}
		}

		void resize(size_t n, char ch = '\0')
		{
			if (n > _size)
			{
				reserve(n);
				for (size_t i = _size; i < n; ++i)
				{
					_str[i] = ch;
				}

				_size = n;
				_str[_size] = '\0';
			}
			else
			{
				_str[n] = '\0';
				_size = n;
			}
		}

		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}

			_str[_size] = ch;
			++_size;
			_str[_size] = '\0';
		}

		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}



        // += -- 重载
		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}

		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}


        
        //insert、erase
		string& insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);

			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}


			size_t end = _size + 1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				--end;
			}

			_str[pos] = ch;
			++_size;

			return *this;
		}

		string& insert(size_t pos, const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			/*	int end = _size;
				while (end >= (int)pos)
				{
				_str[end + len] = _str[end];
				--end;
				}*/

			size_t end = _size + len;
			while (end > pos + len - 1)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				--end;
			}

			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;

			return *this;
		}




		string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);

			if (len == npos || pos + len >= _size)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}

			return *this;
		}


        // find
		size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			while (pos < _size)
			{
				if (_str[pos] == ch)
				{
					return pos;
				}

				++pos;
			}

			return npos;
		}


		size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
			if (ptr == nullptr)
			{
				return npos;
			}
			else
			{
				return ptr - _str;
			}
		}

		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[0] = '\0';
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;

		const static size_t npos = -1;
	};

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		{
			out << s[i];
		}

		return out;
	}

	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();

		char buff[128] = { '\0' };
		size_t i = 0;
		char ch = in.get();
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			if (i == 127)
			{
				// 满了
				s += buff;
				i = 0;
			}

			buff[i++] = ch;

			ch = in.get();
		}

		if (i > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}

		return in;
	}

5.写时拷贝（了解）

写时拷贝我们可以把它理解为一个拖延症患者，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。

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🌹🌹C/C++ string类的知识大概就讲到这里啦，博主后续会继续更新更多C++的相关知识，干货满满，如果觉得博主写的还不错的话，希望各位小伙伴不要吝啬手中的三连哦！你们的支持是博主坚持创作的动力！💪💪