C++ STL学习之【string的模拟实现】

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🪁前言

string 本质上就是一个专注于存储字符的顺序表，使用起来很方便；但在模拟实现 string 时，有许多值得注意的点，下面就来看看 string 类是如何诞生的吧

注意：string 接口众多，本文模拟实现的只是部分常用接口

🥏正文

跟着官方文档走，string 分割成了几个部分进行实现

《string官方文档》

1、结构

string 本质上就是一个顺序表，因此它也是由 指针、大小、容量 这几部分组成

namespace Yohifo	//命名空间
{
	//定义一个 string 类
	class string
	{
	private:
		char* _str;	//数据指针
		size_t _size;	//大小
		size_t _capacity;	//容量
	};
}

大小 和 容量 设为 size_t，上限值为 42亿多，即无符号整型 -1，这个值常常被用来当作循环结束判断条件和查找时未找到的标志，因此有一个专门用来表示 size_t -1 的变量 npos

public:
	static const size_t npos = -1;	//定义能全局使用的 npos 值（public）

npos 需要设置为公开，否则类外就无法使用了

注意：

• npos 类型为 static const size_t
• static 修饰后，npos 只能被初始化一次
• 而加了 const 后，允许在类中赋予缺省值进行初始化，如果不加 const，则必需到类外手动初始化静态成员
• const 修饰的静态变量，只允许整型家族在类中设置缺省值

static const char c = 1;	//合法，为整型家族

static const double d = 3.14;	//非法，只允许整型家族操作

2、默认成员函数

string 中的四大默认成员函数需要自己设计，因为涉及空间申请与释放，以及后续的深拷贝问题
其他的两个默认成员函数没有必要自己设计，库中的就已经够用了

注意：此时的默认成员函数均在类中直接实现，成为内联函数

2.1、构造与析构

构造函数
使用缺省参数，当用户未传递字符串时，将 string 对象初始化为空串；此时 构造函数 可以利用初始化列表进行初始化

//default	默认成员函数
string(const char* str = "")
	:_size(strlen(str))
{
	_capacity = _size;
	_str = new char[_capacity + 1];	//预留 '\0' 的位置
	strcpy(_str, str);
}

注意：

• 为了确保程序的正确性，在初始化列表中只初始化 大小，再将 大小 赋值给 容量，避免出现赋值为随机值的情况（初始化列表初始化顺序只与类中的声明顺序有关）
• 开辟空间时，需要多开一个空间，存储 ‘\0’

析构函数
析构函数 中在释放内存时，统一为 delete[] 的形式，因此其他地方在申请内存时，即使只申请一个 char，也要写成 new char[1] 的形式，目的就是与销毁对应

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

2.2、拷贝与赋值

拷贝构造
涉及空间开辟，此处为深拷贝，即先开辟一块等量空间，再拷贝数据至新空间，完成拷贝

string(const string& s)
{
	//将 s 对象拷贝给 *this
	_str = new char[s._capacity + 1];	//开空间、赋值，深拷贝
	_size = s._size;
	_capacity = s._capacity;

	strcpy(_str, s._str);
}

注意： 在申请空间后，一定要 记得使用 strcpy 进行数据拷贝，否则就是无效操作

赋值重载
赋值重载 函数在实现时需要注意几种情况：

• 是否为同一对象的赋值
• 被赋值对象空间是否足够

前者用一个判断就可以很好解决，而后者在设计时，是 先借助临时变量开辟空间，若空间开辟成功，则将数据拷贝至新空间，释放原空间，改变指针 _str 指向；若空间开辟失败，则抛出异常，同时还确保了原空间数据不被损坏

string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		char* tmp = new char[s._capacity + 1];	//考虑创建失败的情况
		strcpy(tmp, s._str);

		delete[] _str;	//释放原空间
		_str = tmp;	//改变指针指向
		_size = s._size;
		_capacity = s._capacity;
	}

	return *this;	//需要返回，避免 a = b = c 连续赋值情况
}

3、访问数据

string 离不开数据访问函数，如同顺序表一样，可以直接通过 [] + 下标 访问数据，同时也可以通过 迭代器 访问数据

注意：下标访问 在类中定义，类外实现；迭代器 则是直接在类中定义

3.1、下标访问

类中的数据为私有，无法直接访问，但可以 通过函数间接访问

#include"String.h"

using namespace Yohifo;

//access	访问相关
char& string::operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < _size);	//下标必须小于 _size

	//通过下标访问
	return _str[pos];
}

//需要再提供一个 const 版本
const char& string::operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos < _size);

	return _str[pos];
}

注意：在类外实现的函数，需要先包含命名空间(这里使用的是全局展开)，再通过 :: 访问到指定的类，才能正常实现函数

3.2、迭代器访问

迭代器 是 STL 六大组件之一，适用于所有容器，我们这里只是简单模拟实现 迭代器，使用的是获取原生指针的方式

//需要通过 typedef 重命名数据类型

typedef char* iterator;	//简易迭代器
typedef const char* const_iterator;	//简易const迭代器

//iterator	迭代器
iterator begin()
{
	return _str;
}
const_iterator cbegin() const
{
	//需要再新增一个 const 版本
	return _str;
}

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

下面来看看通过 原生指针 实现的 迭代器 效果：

4、修改数据

string 支持对其中的数据进行任意修改：尾插字符、尾插字符串、任意位置插入删除都可以

4.1、尾插

尾插即 push_back，这个东西在数据结构实现阶段已经很熟悉，对于顺序表直接在尾部插入数据即可，当然插入前需要先判断是否需要扩容

//modify	修改相关
void string::push_back(char ch)
{
	//检查容量是否足够
	if (_size + 1 > _capacity)
	{
		_capacity == 0 ? _capacity = 1 : 0;
		reserve(2 * _capacity);	//二倍扩容
	}

	//尾插字符
	_str[_size] = ch;
	_str[++_size] = '\0';
}

注意：VS 中的 string 扩容机制为 1.5 倍扩容，我们这里直接采用二倍扩容的方式

4.2、附加

append 译为附加，指在 string 尾部附加 n 个字符或 str 字符串

附加字符
附加字符直接调用 n 次 push_back 即可，不过值得注意的是，为了避免二倍扩容而造成的空间浪费，可以提前将空间扩容至 _size + n 节省空间

string& string::append(size_t n, char ch)
{
	//复用代码，尾插n次
	//提前开空间
	if (_size + n > _capacity)
		reserve(_size + n);

	while (n--)
		push_back(ch);

	return *this;
}

附加字符串
附加字符串的话，同样需要判断空间是否足够，如果不够就扩容，然后再 调用库函数 strcat 即可完成字符串附加

string& string::append(const char* str)
{
	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
		reserve(_size + len);

	//调用库函数
	strcat(_str, str);
	_size += len;

	return *this;
}

注意：附加字符串在完成操作后，需要对 _size 作出改变

4.3、重载

push_back 和 append 在实际中用的都比较少，一般是直接使用运算符重载 += 实现拼接

+= 实际就是对尾插字符和尾插字符串这两种功能的封装，使用起来更加方便

string& string::operator+=(char ch)
{
	//复用
	return append(1, ch);
}

string& string::operator+=(const string& s)
{
	//复用
	return append(s._str);
}

复用代码可以尽可能的减少错误的出现

4.4、任意位置插入、删除

任意位置的操作，需要对原数据进行挪动

尤其是 pos = 0 处的操作，需要格外注意

任意位置插入
可以分为两步：挪动数据、插入数据

string& string::insert(size_t pos, size_t n, char ch)
{
	assert(pos < _size);

	if (_size + n > _capacity)
		reserve(_size + n);

	//挪动
	size_t end = size() + n;	//错位
	while (end > pos)
	{
		_str[end] = _str[end - n];
		end--;
	}

	//赋值
	//从 pos 位置开始，插入 n 个字符
	size_t count = n;
	while (count--)
	{
		_str[pos++] = ch;
	}

	_size += n;

	return *this;	//有返回值
}

假设存在 string 对象为 "abcde"，现需要在 pos = 0 位置插入 "123"，具体执行结果如下所示

注意：while 循环中，不推荐将条件写为 >= ，因为两者都是 size_t 类型，当 pos = 0 时，可能会出现死循环的情况，因此推荐写为 > 的方式，定义 end 在 size() + n 处，这样错位处理后可以有效避免死循环问题

string 也支持任意位置插入字符串，此时挪动 len 个字符，再通过 strncpy 函数覆盖字符串即可

string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos < _size);

	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
		reserve(_size + len);

	//挪动
	size_t end = size() + len;
	while (end > pos)
	{
		_str[end] = _str[end - len];
		end--;
	}

	//衔接
	strncpy(_str + pos, str, len);	//注意：只拷贝 len 个

	return *this;
}

strncpy 拷贝 len 个字符，避免将字符串 str 中的 '\0' 也拷贝进去

任意位置删除
任意位置删除函数为 全缺省参数：

• 参数1 size_t pos，默认 pos = 0
• 参数2 size_t len，默认 len = npos

删除元素分为两种情况

• 元素不够删或 len == npos，此时需要全部删除，即 _size = 0
• 元素足够删，将 pos + len 处的字符串覆盖至 pos 处

string& string::erase(size_t pos, size_t len)
{
	assert(pos < _size);
	assert(!empty());

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

	return *this;
}

假设存在 string 对象为 "123abcde"，现需要在 pos = 3 位置删除 2个元素，具体执行结果如下所示

删除并不是真删除，只要合理的调整 '\0' 位置和 _size 值，使访问不到后续元素就行了

erase 还支持通过迭代器区间删除元素，实现很简单，通过 指针 - 指针 获取元素个数(下标)，复用上面的代码就行了

string::iterator string::erase(iterator begin, iterator end)
{
	//复用
	erase(begin - _str, end - _str);

	return this->begin();
}

5、查看容量

顺序表支持查看各种数据，如大小、容量，同时动态增长的顺序表还有一个不可缺的功能：扩容，对应到 string 中，扩容由 reserve 完成，而调整大小由 resize 负责

5.1、大小、容量、判空

获取这些数据时，因为不需要对 *this 做出修改，这里均使用 const 修饰 *this

// capacity	容量相关
size_t string::size() const
{
	return _size;
}

size_t string::capacity() const
{
	return _capacity;
}

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

这三个函数很简单，不做过多赘述

5.2、扩充容量

reserve 可以扩充 _str 的容量，具体使用时，只需要通过 reserve(size_t capacity) 的方式，即可将 _str 容量改变为 capacity

注意：

• 传入的 capacity 可能小于或等于 _capacity，此时不需要缩容，什么操作都不需要
• 传入的 capacity 大于 _capacity，正常扩容，具体逻辑和赋值重载一致

void string::reserve(size_t capacity)
{
	//Mask：当扩容容量小于 _size 值时，_size 会变成什么样子
	//Reply: 不变，连 _capacity 也不变
	if (capacity > _capacity)
	{
		//开空间+拷贝
		char* tmp = new char[capacity + 1];
		strcpy(tmp, _str);

		//释放空间+改变指向
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = capacity;
	}
}

5.3、调整大小

resize 函数为半缺省参数，缺省参数为参数2 char ch = '\0'，参数1为 size_t size

调整大小的步骤：

• 判断 size 是否大于 _capacity，如果大于则需要扩容
• 从 _size 处开始，填入字符 ch，直到 size 结束
• 重新赋值 _str[_size] = '\0'

void string::resize(size_t size, char ch)
{
	//考虑扩容的情况
	if (size > _capacity)
		reserve(size);

	//如果给定的容量大于 _size 就需要植入字符
	while (_size < size)
		_str[_size++] = ch;

	_size = size;	//重新赋值，以防 _size > size的情况
	_str[_size] = '\0';	//置 '\0'
}

注意：_size = size 这一步不能省略，防止 size 小于 _size 时大小不改变的问题

6、运算符重载

string 中还存在许多重载函数

6.1、字符串相加

"abc" + "123" = "abc123" 这种情况是合法的，当然也存在这个相加函数，无非就是借助临时变量做字符或字符串附加操作

//operator	运算符重载
string string::operator+(char ch) const
{
	string tmp(*this);	//传值返回，需要借助第三方变量
	tmp.push_back(ch);

	return tmp;
}

string string::operator+(const string& s) const
{
	string tmp(*this);
	tmp.append(s._str);

	return tmp;
}

注意：对于操作双方都不能作出修改，因此需要借助临时变量 tmp；返回时，需要使用传值返回，接收时调用拷贝构造，因为 tmp 是局部变量

6.2、逻辑判断

string 对象的大小判断是借助于 ASCII 码值，可以直接使用 strcmp 函数

只需要实现 小于 和 等于 判断，其他逻辑判断可以复用代码

bool string::operator<(const string& s) const
{
	//直接调用库函数
	return strcmp(_str, s._str) < 0;
}

bool string::operator>(const string& s) const
{
	//复用逻辑
	return !(*this <= s);	//不小于等于就是大于
}

bool string::operator==(const string& s) const
{
	return strcmp(_str, s._str) == 0;
}

bool string::operator!=(const string& s) const
{
	return !(*this == s);	//等于取反就是不等于
}

bool string::operator<=(const string& s) const
{
	return (*this < s) || (*this == s);	//小于或等于
}

bool string::operator>=(const string& s) const
{
	return !(*this < s);	//不小于就是大于或等于
}

7、其他

string 中还有其他实用的函数，如查找字符或字符串、清理字符串、交换两个字符串等

7.1、查找

查找字符
传入目标字符，遍历一遍字符串，若找到，返回目标下标，没找到返回 npos
默认 size_t pos = 0 从 0 处开始向后查找，也支持传入参数从指定位置开始查找

//other	其他
size_t string::find(char c, size_t pos) const
{
	assert(pos < _size);
	
	//从 pos 位置开始，挨个比较
	while (pos < _size)
	{
		if (_str[pos] == c)
			return pos;
		pos++;
	}

	return npos;	//没找到返回 npos
}

查找字符串
在算法界存在一个大名鼎鼎的字符串查找算法：KMP 匹配算法，该算法在子串重复字符较多时比较实用，效率很高，但在实际中，字符串中的重复字符较少，使用 KMP 的查找效率和 strstr 暴力匹配效率相差不大，所以这里直接调用函数 strstr

size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{
	assert(pos < _size);

	//此处可以使用 KMP 算法，不过意义不大
	char* dst = strstr(_str, s);	//调用库函数
	if (dst == NULL)
		return npos;

	return dst - _str;	//返回下标（位置）
}

注意：指针 - 指针 就是实际找到字符串的下标(位置)

7.2、清理、交换

有时候需要将字符串中的内容一键清空，有时候也需要将两个字符串进行交换

清理
清理的逻辑很简单，令 _size = 0，再令 _str[_size] = '\0' 即可

void string::clear()
{
	//置空
	_size = 0;
	_str[_size] = '\0';
}

交换
可以直接使用库中的 swap 交换函数，但这样做的 效率较低，会发生多次拷贝构造操作，而且都是 深拷贝，可以稍微变通下，将 string 中的三个成员分别 swap，此时是 浅拷贝，效率很高，也能完成交换任务

void string::swap(string& s)
{
	//直接调用库函数进行三次浅拷贝，避免发生深度拷贝构造行为
	std::swap(_str, s._str);	//交换指针
	std::swap(_size, s._size);	//交换大小
	std::swap(_capacity, s._capacity);	//交换容量
}

7.3、获取原生指针

C++兼容C语言，在部分场景中，需要获取指针字符串的指针，但此时 _str 为私有成员，所以需要通过函数间接获取指针 _str

char* const string::c_str() const
{
	//返回原生指针，方便与 C语言 接口统一
	return _str;
}

8、读取与写入

流操作是 string 中少有的类外成员函数，因为此时的左操作数为 ostream 或 istream

注意：这里不需要设为友元函数，因为有很多函数可以辅助我们完成任务

8.1、流插入

将 string 对象的内容直接输出到屏幕上
通过下标访问的方式输出内存

//流插入
ostream& Yohifo::operator<<(ostream& _cout, const string& s)
{
	//借助访问函数，输出字符串
	size_t pos = 0;
	while (pos < s.size())
		_cout << s[pos++];

	return _cout;
}

还可以使用 迭代器 或 原生指针 输出

8.2、流提取

流提取分析：

1. 在获取字符串前，不知道用户输入的字符串长度，无法提前开辟空间
   • 如果采用默认2倍扩容的方式，势必会造成严重的空间浪费
2. 读取数据后，若字符串中已存在数据，需要覆盖原数据

解决方案：

• 借助一个 char buff[128] 数组存储数据，当数组装满时，将 buff 拼接至字符串尾部，buff 重新开始存储数据，这样无论输入多长的字符串，都可以很好的读取，而且避免了空间的浪费
• 调用 clear() 函数先清理字符串，再进行输入

//流提取
istream& Yohifo::operator>>(istream& _cin, string& s)
{
	s.clear();	//流插入前先清理

	//此时输入字符串大小未知，需要通过 buff 数组不断装载的方式实现流插入
	char buff[128] = { 0 };	//大小为128
	int pos = 0;
	char ch = _cin.get();	//获取字符
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[pos++] = ch;

		if (pos == 127)
		{
			//拼接至 s
			s += buff;
			pos = 0;	//重新装载
		}
		ch = _cin.get();
	}

	if (pos < 127)
	{
		//此时需要手动置 '\0'
		buff[pos] = '\0';

		s += buff;	//链接
	}

	return _cin;
}

注意：

• 逐字符读取，可以使用 cin.get() 函数，类似于 getc() 函数
• 流提取的结束条件是遇到 空白字符 就结束
• 当 while 循环结束后，如果 pos < 127，需要置入 '\0'，避免插入两个半(或更多) buff 数据的情况

buff 数组是一个 局部变量，不会造成空间浪费

8.3、获取整行串

getline 函数可以读取到空格，实现逻辑95%都和流提取一致，不过在循环结束条件中，getline 只取决于是否读取到 '\n'

//获取一行字符串
istream& Yohifo::getline(istream& _cin, string& s)
{
	//大体逻辑与流提取一致，不过判断条件减少

	s.clear();	//先清理

	char buff[128] = { 0 };	//大小为128
	int pos = 0;
	char ch = _cin.get();	//获取字符
	while (ch != '\n')
	{
		buff[pos++] = ch;

		if (pos == 127)
		{
			//链接至 s
			s += buff;
			pos = 0;	//重新装载
		}
		ch = _cin.get();
	}

	if (pos < 127)
	{
		//此时需要手动置 '\0'
		buff[pos] = '\0';

		s += buff;	//链接
	}

	return _cin;
}

9、整体代码

文中所有代码都存储 Gitee 仓库，可以通过下面的链接直接跳转查看

sting_2_28 代码仓库

🎯总结

以上就是本次关于 string 类模拟实现的全部内容了，string 比较适合尝试自己实现，相信在实现之后，对 string 类的理解和使用能更上一层楼

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