string类（详解）

【本节目标】

1. 为什么要学习string类

2. 标准库中的string类

3. string类的模拟实现

4. 扩展阅读

1. 为什么学习string类？

1.1 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OOP 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. 标准库中的string类

2.1 string类(了解)

string类的文档：cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

string 类的文档介绍

1. 字符串是表示字符序列的类

2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。

3. string 类是使用 char( 即作为它的字符类型，使用它的默认 char_traits 和分配器类型 ( 关于模板的更多信息，请参阅basic_string) 。

4. string 类是 basic_string 模板类的一个实例，它使用 char 来实例化 basic_string 模板类，并用 char_traits 和allocator 作为 basic_string 的默认参数 ( 根于更多的模板信息请参考 basic_string) 。

5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节 : 如果用来处理多字节或变长字符 ( 如 UTF-8) 的序列，这个类的所有成员( 如长度或大小 ) 以及它的迭代器，将仍然按照字节 ( 而不是实际编码的字符 ) 来操作。

总结：

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。

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

2.2 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）

1. string类对象的常见构造

string构造函数的使用：

string s1;

string s2("hello");

string s4(s2);

string s3(10,'*');

string s2("hello");
string s5(s2,2,2);
cout << s2 << endl;
cout << s5 << endl;

npos这个值是一个静态成员变量后面还有一个-1的缺省值，很多人可能好奇为什么缺省值给-1大家别忘了这是一个无符号类型无符号类型-1就是整型的最大值。意味着如果你不写第三个参数，那么这个函数会把pos位置后面的字符全部拿走。

当然这里能用流插入的原因是string这个库的非成员函数重载了流插入符号。

同时这个文档里也有对其函数的讲解

这里我们可以再看三个函数

push_back只能尾插单个字符，这时候我们就能使用append函数，它既可以尾插单个字符也能尾插字符串。

当然我们也能用一个运算符重载

int main()
{
	string s1("hello");
	s1.push_back(' ');
	s1.append("world");
	cout << s1 << endl;
	string s2("hello");
	s2 += ' ';
	s2 += "world";
	cout << s2 << endl;
	return 0;
}

2. string 类对象的容量操作

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(但是会删除里面的数据，例如：resize(20)，就只要前20的数据，但是不会改变空间大小)。

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，如果用clear进行的数据清除，那么当给的reserve参数小于已经扩容空间的大小，就会进行缩容，简单来说就是有数据就不会缩容，没数据就可能会缩容。在vs2019下，会比你指定的空间大一些。在Linux下一般指定多少给多少。

5.capacity()会扩容，扩容方式会不一样，在vs2019先是2倍扩容，后面是1.5倍，在Linux下一直是2倍扩容。

3. string 类对象的访问及遍历操作

注：operator[ ]有断言检查数组越界的错误。

4. string 类对象的修改操作

注意：

1. 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。

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。

5. string 类非成员函数

6. vs 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

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;

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，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。

迭代器的了解：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{   
	string s1("hello world");
	//迭代器
	string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

可以看到迭代器与指针十分相像。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{   
	string s1("hello world");
	//迭代器
	string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		(*it)--;
		++it;
	}
	it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

同时它也能通过解引用修改里面的数据。

当然迭代器的意义不止于此

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main()
{   
	string s1("hello world");
	//迭代器
	string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		(*it)--;
		++it;
	}
	it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//范围for
	//底层替换成迭代器
	for (auto& ch : s1)
	{
		ch++;
	}

	for (auto ch : s1)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

范围for的底层就会替换成迭代器，想要支持范围for就要先支持迭代器。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <list>
using namespace std;

int main()
{   
	string s1("hello world");
	//迭代器
	string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		(*it)--;
		++it;
	}
	it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		++it;
	}
	cout << endl;
	//范围for
	//底层替换成迭代器
	for (auto& ch : s1)
	{
		ch++;
	}

	for (auto ch : s1)
	{
		cout << ch << " ";
	}

	cout << endl;
	//迭代器还支持容器
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.push_back(2);
	v.push_back(3);
	v.push_back(4);

	vector<int>::iterator vit = v.begin();
	while (vit != v.end())
	{
		cout << *vit << " ";
		++vit;
	}
	cout << endl;
	list<int> lt;
	lt.push_back(10);
	lt.push_back(20);
	lt.push_back(3);
	lt.push_back(4);

	list<int>::iterator lit = lt.begin();

	while (lit != lt.end())
	{
		cout << *lit << " ";
		++lit;
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

3. string类的模拟实现

3.1 经典的string类问题

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。大家看下以下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()
		:_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
		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。

3.2 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 ，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 。

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。

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 。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了

3.3 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。

3.3.1 传统版写法的String类

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
		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;
};

3.3.2 现代版写法的String类

class String
{
public:
	String(const char* str = "")
	{
		if (nullptr == str)
		{
			assert(false);
			return;
		}
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	String(const String& s)
		: _str(nullptr)
	{
		String strTmp(s._str);
		swap(_str, strTmp._str);
	}
	// 对比下和上面的赋值那个实现比较好？
	String& operator=(String s)
	{
		swap(_str, s._str);
		return *this;
	}
	/*
	String& operator=(const String& s)
	{
	if(this != &s)
	{
	String strTmp(s);
	swap(_str, strTmp._str);
	}
	return *this;
 }
 */
	~String()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _str;
}

3.3 写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症，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。

string类的实现

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace xyl

{
   
    class string
    {

    public:

        typedef char* iterator;
        typedef const char* const_iterator;

    public:


        iterator begin()
        {
            return _str;
        }

        iterator end()
        {
            return (_str + _size);
        }
        const_iterator begin() const
        {
            return _str;
        }

        const_iterator end() const
        {
            return (_str + _size);
        }

        void reserve(size_t n)
        {
            if (n > _capacity)
            {
                char* tmp = new char[n + 1];
                //strcpy(tmp, _str);
                memcpy(tmp, _str, _size + 1);
                _capacity = n;
                delete[] _str;
                _str = tmp;
            }
        }

        string(const char* str = "")
  
        {
            _size = strlen(str);
            _capacity = _size;
            _str = new char [_capacity+1];
            //strcpy(_str, str);
            memcpy(_str, str, _size + 1);
        }

         string(const string& s)
        {
             _size = s._size;
             _capacity = s._capacity;
             _str = new char[s._capacity + 1];
            // strcpy(_str, s._str);
             memcpy(_str, s._str, s._size + 1);
        }

        string& operator= (const string& s)
         {
            if (*this != s)
            {
                _size = s._size;
                _capacity = s._capacity;
                _str = new char[s._capacity + 1];
                //strcpy(_str, s._str);
                memcpy(_str, s._str, s._size + 1);
            }
           
            return *this;
         }

        ~string()
        {
            _size = 0;
            _capacity = _size;
            delete[]_str;
        }
      


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

                _str[_size++] = c;
                _str[_size] = '\0';
                _capacity = _size;
            
        }

        string& operator+=(char c)
        {
            push_back(c);

            return *this;
        }

        void append(const char* str)
        {
            size_t len = strlen(str);
            if (_size + len > _capacity)
            {
                reserve(_size + len);
            }
            //strcpy(_size + _str, str);
            memcpy(_size + _str, str, len+1);
            _size += len;
        }

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

        void clear()
        {
            _str[0] = '\0';
            _size = 0;

        }

        void swap(string& s)
        {
    
            string tmp(s);
            std::swap(_str, s._str);
            std::swap(_size, s._size);
            std::swap(_capacity, s._capacity);
         
        }

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



        

        size_t size()const
        {
            return _size;
        }

        size_t capacity()const
        {
            return _capacity;
        }

        bool empty()const
        {
            return _size == 0;
        }

        void resize(size_t n, char c = '\0')
        {
    
            if (n < _size)
            {
                _size = n;
                _str[_size] = '\0';
            }
            else
            {
                reserve(n);

                for (size_t i = _size;i < n;i++)
                {
                    _str[i] = c;
                }
                _str[n] = '\0';
                _size = n;
            }

        }

        





         access


        char& operator[](size_t index)
        {
            return _str[index];
        }

        const char& operator[](size_t index)const
        {
            return _str[index];
        }



        //relational operators

       bool operator<(const string& s)
        {
           size_t i1= 0;
           size_t i2 = 0;
           while (i1 < _size && i2 < s._size)
           {
               if (_str[i1] < s._str[i2])
               {
                   return true;
               }
               else if(_str[i1]>s._str[i2])
               { 

                   return false;
               }
               else
               {
                   i1++;
                   i2++;
               }
           }
       // "hello" "hello"   false
       // "helloxx" "hello" false
       // "hello" "helloxx" true

           if (i1 == _size && i2 != s._size)
           {
               return true;
           }
           else
           {
               return false;
           }
        
        }
        bool operator==(const string& s)
        {
            return _size == s._size
                && memcmp(_str, s._str, _size) == 0;
        }
        bool operator<=(const string& s)
        {
            return *this < s || *this == s;
        }

        bool operator>(const string& s)
        {
            return !(*this <= s);
        }

        bool operator>=(const string& s)
        {
            return *this > s || *this == s;
        }

      

        bool operator!=(const string& s)
        {
            return !(*this == s);
        }



        // 返回c在string中第一次出现的位置

        size_t find(char c, size_t pos = 0) const
    
            {
                assert(pos < _size);

                for (size_t i = pos; i < _size; i++)
                {
                    if (_str[i] == c)
                    {
                        return i;
                    }
                }

                return npos;
            }
  

        // 返回子串s在string中第一次出现的位置

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

        // 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置

        void insert(size_t pos, size_t n, char ch)
        {
            assert(pos <= _size);

            if (_size + n > _capacity)
            {
                // 至少扩容到_size + len
                reserve(_size + n);
            }

            // 挪动数据
            /*int end = _size;
            while (end >= (int)pos)
            {
                _str[end + n] = _str[end];
                --end;
            }*/


            // 添加注释最好
            size_t end = _size;
            while (end >= pos && end != npos)
            {
                _str[end + n] = _str[end];
                --end;
            }

            for (size_t i = 0; i < n; i++)
            {
                _str[pos + i] = ch;
            }

            _size += n;
        }
        string& insert(size_t pos, char c)
        {
            assert(pos<=_size);
            if (_size + 1 > _capacity)
            {
                reserve(_capacity + 1);
            }
            size_t end = _size;
            while (end >= pos && end != npos)
            {
                _str[end + 1] = _str[end];
                --end;
            }

            _str[pos] = c;

            _size += 1;
            return *this;
        }

        string& insert(size_t pos, const char* str)
        {
            size_t n = strlen(str);
            assert(pos <= _size);
            if (_size + n > _capacity)
            {
                reserve(_size + n);
            }
            size_t end = _size;
            while (end>=pos&&end!=npos)
            {
                _str[end + n] = _str[end];
                end--;
            }
            for (int i = 0;i < n;i++)
            {
                _str[pos + i] = str[i];
            }
            return *this;
        }



        // 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置

        string& erase(size_t pos, size_t len=npos)
        {
            assert(pos <= _size);
            if (len == npos || len + pos >= _size)
            {
                _str[pos] = '\0';
            }
            else
            {
                size_t end = pos + len;
                while (end <= _size)
                {
                    _str[pos++] = _str[end++];
                }
                _size -= len;
            }
        }
       

    private:

        char* _str;

        size_t _capacity;

        size_t _size;

       public:
        const static size_t npos;


    };
    const size_t string::npos = -1;
};


ostream& operator<<(ostream& out, const xyl::string& s)
{
    for (auto ch : s)
    {
        out << ch;
    }
    
    return out;
}
istream& operator>>(istream& in,  xyl::string& s)
{
    s.clear();
    char ch = in.get();
    while (ch == ' ' || ch == '\n')
    {
        ch = in.get();
    }
    char buff[128] = {'\0'};
    int i = 0;
    while (buff[i] != ' ' && ch != '\n')
    {
        buff[i++] = ch;
        if (i == 127)
        {
            buff[i] = '\0';
            s += buff;
            int i = 0;
        }
        ch = in.get();
    }
    if (i != 0)
    {
        buff[i] = '\0';
        s += buff;
    }
    return in;
}