C++String的学习

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（即面向对象编程（Object-Oriented Programming）），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。

String类题目，字符串相加

2、标准库中的String类

2.1string类的了解

string类的文档介绍
在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

2.2 auto和范围for

auto关键字：
1.在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，后来这个不重要了。C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而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。
2.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&
3.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。
4.auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
5.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;
}

auto 是 C++ 中提高代码简洁性和灵活性的重要工具
例如：

#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();
	//此刻的auto自动类型推导成std::map<std::string, std::string>::iterator
	auto it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
	return 0;
}

范围for：
1.,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。
2.范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
3.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;
}

2.3 string类的接口说明（常用）

1.string类对象的常见构造

constructor(构造）

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
}

2. string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size(重点)	返回字符串有效长度
length	返回字符串有效长度（和size无差别）
capacity	返回空间总大小
empty(重点)	检测字符串是否为空串
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, charc)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。

3. string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获取第一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin+rend	返回一个指向容器最后一个元素的反向迭代器+返回一个指向容器第一个元素之前位置的反向迭代器
范围for	C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

4.string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串结尾插入字符c
append	在字符串后面追加一个字符
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(重点)	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(重点)	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。

5. string类非成员函数

函数名称	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
geiline(重点)	获取一行字符串
relational operators(重点)	大小比较

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：
1.当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
2.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。
在这里插入图片描述
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。

3. string类的模拟实现

3.1string类的问题

// 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);
}

在这里插入图片描述
说明：在上述代码中String类里面没有显示实现拷贝构造函数和赋值运算符重载，当s1取赋值s2的时候编译器就会走默认的拷贝构造函数，那么s1和s2就会指向同一个地址空间，当其中一个地址空间被销毁了之后，另外一个以为还存在，则会以为有效，当运行时就会出现报错，（在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃），这就是上述的浅拷贝。

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。如果在对象中管理资源，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。

形象理解：可把对象成员看作不同 “数据盒子”，浅拷贝就像给新对象的盒子复制源对象盒子里的数据。若盒子存的是基本类型值，新盒子有独立值；若存的是指针（类似 “地址标签” ），新盒子就复制这个 “地址标签”，新、旧对象的指针会指向同一块堆内存区域。比如有类 ClassA 包含指针成员 int* ptr，执行 ClassA obj2 = obj1;（obj1 已初始化）的浅拷贝后，obj1.ptr 和 obj2.ptr 地址相同，都指向同一块堆内存。

#include <iostream>
class Test {
public:
    int* ptr;
    Test(int val) {
        ptr = new int(val); // 动态分配堆内存
    }
    ~Test() {
        delete ptr; // 析构时释放内存
    }
};
int main() {
    Test obj1(10);
    Test obj2 = obj1; // 浅拷贝，obj2.ptr 和 obj1.ptr 指向同一块内存
    // 此时 obj1 和 obj2 的析构函数都会去释放 ptr 指向的内存，会导致重复释放问题
    return 0;
}

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。在这里插入图片描述
本质特征
深拷贝会创建全新的对象副本，并递归地复制原对象包含的所有数据内容，包括指针、引用等复杂成员指向的深层数据（如堆内存里的实际内容）。新对象与原对象在内存中完全独立，修改一方的数据不会影响另一方。

3.3.1传统版写法的String类

```cpp
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;
};