C++学习笔记——string

string

1. 标准库中的string类

1.1 auto和范围for

auto和范围for是C++11的两个语法

auto

• 以前的auto有别的含义，但在C++11中，auto是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得
• 用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
• 当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量
• auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
• auto不能直接用来声明数组

#include <iostream>
using namespace std;

int func1()
{
    return 10;
}

// 不能做参数
void func2(auto a)
{
}

// 可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto func3()
{
    return 3;
}

int main() {
    int a = 10;
    auto b = a;
    auto c = 'a';
    auto d = func1();
    // 编译报错:rror C3531: “e”: 类型包含“auto”的符号必须具有初始值设定项
    auto e;
    cout << typeid(b).name() << endl;
    cout << typeid(c).name() << endl;
    cout << typeid(d).name() << endl;
    int x = 10;
    auto y = &x;
    auto* z = &x;
    auto& m = x;
    cout << typeid(x).name() << endl;
    cout << typeid(y).name() << endl;
    cout << typeid(z).name() << endl;
    auto aa = 1, bb = 2;
    // 编译报错：error C3538: 在声明符列表中，“auto”必须始终推导为同一类型
    auto cc = 3, dd = 4.0;
    // 编译报错：error C3318: “auto []”: 数组不能具有其中包含“auto”的元素类型
    auto array[] = { 4, 5, 6 };

    return 0;
}

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
int main()
{
    std::map<std::string, std::string> dict = { { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };
    // auto的用武之地
   //std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();
    auto it = dict.begin();
    while (it != dict.end())
    {
        cout << it->first << ":" << it->second << endl;
        ++it;
    }

    return 0;
}

范围for

• 对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束
• 范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
• 范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器，这个从汇编层也可以看到

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>

using namespace std;

int main()
{
    int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    // C++98的遍历
    for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    {
        array[i] *= 2;
    }
    for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
    {
        cout << array[i] << endl;
    }

    // C++11的遍历
    for (auto& e : array)
        e *= 2;

    for (auto e : array)
        cout << e << " " << endl;

    string str("hello world");
    for (auto ch : str)
    {
        cout << ch << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

1.2 string类的常用接口说明

1.2.1 string类对象的常见构造

(constructor)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类对象
string(size_t n, 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s1
    string s2("hello bit");   // 用C格式字符串构造string类对象s2
    string s3(s2);            // 拷贝构造s3
}

1.2.2 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串，是返回true，否则返回false
clear	清空有效字符
reserve	为字符串预留空间
resize	将有效字符的个数该成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

1.2.3 string类对象的访问遍历操作

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	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支持更简洁的范围for的新遍历方式

1.2.4 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格式字符串
find + npos	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：

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

1.2.5 string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>>	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

1.2.6 vs和g++下string结构的说明

以下结构在32位平台下验证，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 one
  	value_type _Buf[_BUF_SIZE];
  	pointer _Ptr;
  	char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
  } _Bx;
  

  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

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

  • 指向堆空间的指针，用来存储字符串(注意，这是另一个指针，在上述的对空间中，但自己也是指向堆的)

  在比较新的g++中，已经不再使用引用计数、写时拷贝的方式了，原因是有了更合适的办法代替，但这种思想在许多地方仍会用到

2. string类的模拟实现

比较容易出错的地方：拷贝

// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:
    /*String()
        :_str(new char[1])
        {*_str = '\0';}
    */
    //String(const char* str = "\0") 错误示范
    //String(const char* str = nullptr) 错误示范
    String(const char* str = "")
    {
        // 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非法
        if (nullptr == str)
        {
            assert(false);
            return;
        }
        
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    
    ~String()
    {
        if (_str)
        {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
 private:
    char* _str;
 };

// 测试
void TestString()
{
    String s1("hello bit!!!");
    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

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，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

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

传统的String类写法

class String
{
public:
    String(const char* str = "")
    {
        // 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非法
        if (nullptr == str)
        {
            assert(false);
            return;
        }
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    String(const String& s)
        : _str(new char[strlen(s._str) + 1])
    {
        strcpy(_str, s._str);
    }
    String& operator=(const String& s)
    {
        if (this != &s)
        {
            char* pStr = new char[strlen(s._str) + 1];
            strcpy(pStr, s._str);
            delete[] _str;
            _str = pStr;
        }
        return *this;
    }

    ~String() {
        if (_str) {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }

private:
    char* _str;
};

其实在拷贝构造这里还有另一种写法

String(const String& s)
	: _str(nullptr)
{
	String strTmp(s._str);
	swap(_str, strTmp._str);
}

这个想法挺巧妙的，直接修改指针，交换所指的对象达到交换内容的效果

对于有许多成员变量的自定义类型，可以重载一个针对自定义类型的swap函数，剩下的仍按如上写即可