C++ string 类全面详解：从入门到精通

原创于 2025-06-29 13:45:08 发布 · 542 阅读

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在C编程中，字符串处理是最常见的操作之一。本文将深入探讨C标准库中的string类，带你全面掌握这一核心工具的使用技巧。

一、为什么需要string类？

在C语言中，我们使用字符数组(char[ ])表示字符串，这种方式存在诸多问题：

内存管理复杂：需要手动分配和释放内存
容易越界：操作不当会导致缓冲区溢出
功能有限：缺少常用的字符串操作方法

C++的string类完美解决了这些问题：

自动内存管理：无需手动分配/释放内存
丰富的操作接口：提供大量便捷的成员函数
高度安全性：自动处理边界检查
无缝集成：完美适配STL算法和容器

二、string类的基本使用

1. 包含头文件与命名空间

#include <string>
using namespace std; // 或者使用 std::string

2. 创建string对象

// 默认构造函数：创建空字符串
string s1;

// 用C风格字符串初始化
string s2 = "Hello, World!";

// 用另一个string对象初始化
string s3(s2);

// 用重复字符构造
string s4(5, 'A'); // "AAAAA"

// 用子串构造
string s5("Programming", 3); // "Pro" (取前3个字符)
string s6(s2, 7, 5); // "World" (从位置7开始取5个字符)

3. 基本操作

// 赋值操作
string s7 = "C++";
s7 = "String";

// 字符串连接
string s8 = "Hello" + string(" ") + "World!";

// 获取C风格字符串
const char* cstr = s8.c_str();

// 获取字符串长度
int len = s8.length(); // 或 s8.size()

// 判断是否为空
if (s8.empty()) {
    cout << "字符串为空!" << endl;
}

三、string的常用成员函数

1. 访问元素

string str = "ABCDEFG";

// 使用下标运算符
char c1 = str[2]; // 'C'

// 使用at()成员函数（带边界检查）
char c2 = str.at(3); // 'D'

// 访问首尾字符
char first = str.front(); // 'A'
char last = str.back();  // 'G'

// 修改元素
str[1] = 'X'; // "AXCDEFG"
str.at(4) = 'Y'; // "AXCDYFG"

2. 字符串比较

string a = "apple";
string b = "banana";

// 使用比较运算符
if (a == b) { /* ... */ }
if (a < b)  { /* ... */ } // 按字典序比较

// 使用compare成员函数
int result = a.compare(b);
// result < 0: a < b
// result = 0: a == b
// result > 0: a > b

// 比较子串
a.compare(0, 2, "ap"); // 比较a的前2个字符和"ap"

3. 字符串修改

string s = "C++ is powerful";

// 追加字符串
s.append(" and flexible"); // "C++ is powerful and flexible"
s += "!"; // "C++ is powerful and flexible!"

// 插入字符串
s.insert(4, "really "); // "C++ really is powerful and flexible!"

// 替换子串
s.replace(4, 6, "very"); // "C++ very is powerful and flexible!"

// 删除子串
s.erase(4, 5); // "C++ is powerful and flexible!" (删除"very ")

// 清空字符串
s.clear(); // s变为空字符串

4. 子串操作

string text = "The quick brown fox jumps over the lazy dog";

// 提取子串 (位置, 长度)
string word = text.substr(4, 5); // "quick"

// 查找子串
size_t pos = text.find("fox"); // 返回首次出现的位置(16)
pos = text.find("dog", 30);    // 从位置30开始查找

// 反向查找
pos = text.rfind("the"); // 找到最后一个"the"的位置

// 查找字符集中的任意字符
pos = text.find_first_of("aeiou"); // 第一个元音字母的位置(2)
pos = text.find_last_of("aeiou");  // 最后一个元音字母的位置

// 检查是否包含特定前缀/后缀
if (text.starts_with("The")) { /* C++20特性 */ }
if (text.ends_with("dog"))   { /* C++20特性 */ }

5. 容量管理

string s;

// 获取当前容量（预分配内存）
int cap = s.capacity();

// 预留空间（避免重复分配）
s.reserve(100);

// 调整大小
s.resize(10); // 将字符串长度设为10，新增位置用空字符填充
s.resize(15, 'x'); // 将长度设为15，新增位置用'x'填充

// 释放未使用内存（C++11）
s.shrink_to_fit();

四、字符串遍历技巧

string str = "Hello";

// 1. 下标遍历
for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
    cout << str[i] << " ";
}

// 2. 迭代器遍历
for (auto it = str.begin(); it != str.end(); it++) {
    cout << *it << " ";
}

// 3. 反向迭代器
for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); rit++) {
    cout << *rit << " ";
}

// 4. 范围for循环（C++11）
for (char c : str) {
    cout << c << " ";
}

五、字符串与数值转换

C++11标准方法：

// 字符串转整数
string numStr = "12345";
int num = stoi(numStr);

// 字符串转浮点数
string floatStr = "3.14159";
double pi = stod(floatStr);

// 数值转字符串
string s1 = to_string(123);     // "123"
string s2 = to_string(3.1415);  // "3.141500"

传统C++方法：

#include <sstream>

// 字符串转整数
string numStr = "42";
int num;
stringstream ss(numStr);
ss >> num;

// 整数转字符串
int value = 100;
stringstream ss2;
ss2 << value;
string result = ss2.str();

六、进阶技巧与最佳实践

1. 高效连接字符串

// 低效方式（多次内存分配）
string result;
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    result += "data"; // 可能导致多次重新分配
}

// 高效方式（预分配空间）
string result;
result.reserve(5000); // 预分配足够空间
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
    result += "data";
}

// 使用append()替代+=
result.append("data");

2. 使用移动语义(C++11)

string createLargeString() {
    string large(100000, 'x');
    return large; // 返回值优化或移动语义
}

string s = createLargeString(); // 高效，无复制开销

3. string_view(C++17)

#include <string_view>

void processString(string_view sv) {
    // 只读访问，不复制字符串
    cout << "Length: " << sv.length() << endl;
    cout << "Substr: " << sv.substr(0, 5) << endl;
}

int main() {
    string s = "Hello, World!";
    processString(s); // 传递string
    
    const char* cstr = "C-style string";
    processString(cstr); // 传递C字符串
    
    string_view sv = "String view literal";
    processString(sv); // 传递string_view
}

4. 字符串分割

vector<string> split(const string& s, char delimiter) {
    vector<string> tokens;
    string token;
    istringstream tokenStream(s);
    
    while (getline(tokenStream, token, delimiter)) {
        tokens.push_back(token);
    }
    
    return tokens;
}

// 使用示例
string data = "apple,banana,cherry,date";
vector<string> fruits = split(data, ',');

七、常见问题与解决方案

1. 中文处理问题

// UTF-8字符串处理
string chinese = "你好，世界!";

// 正确获取长度（字节数 vs 字符数）
size_t byteLen = chinese.length(); // 字节数：15
size_t charLen = 0;
for (char c : chinese) {
    if ((c & 0xC0) != 0x80) charLen++;
}
cout << "字符数: " << charLen; // 输出：5

2. 性能优化技巧

预分配空间：使用reserve()减少内存重新分配
避免临时对象：使用+=代替+连接字符串
使用emplace_back：向容器添加字符串时使用移动语义
优先使用string::find：比C函数strstr()更安全

3. 内存管理注意事项

// 获取C风格字符串后的陷阱
string s = "Hello";
const char* p = s.c_str();

s += " World!"; // 可能导致p指向的内存失效

cout << p; // 未定义行为！可能崩溃或输出错误

八、总结

C++ string类提供了强大而灵活的字符串处理能力，是现代C++编程中不可或缺的工具。关键要点总结：

安全便捷：自动内存管理，避免缓冲区溢出
功能丰富：提供超过100个成员函数，满足各种需求
高效灵活：支持移动语义(C11)、字符串视图(C17)
STL集成：完美适配标准库算法和容器

掌握string类的使用技巧，能够显著提高字符串处理代码的效率和可维护性。建议在实际开发中结合C17的string_view和C20的新特性（如starts_with/ends_with）来编写更现代、高效的代码。

最后提示：虽然string类功能强大，但在处理超大规模字符串或性能敏感场景时，仍需注意内存使用和算法效率问题。