[C/C++]string类常用接口介绍及模拟实现string类

一：C++string类的由来

        在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。

C++中对于string的定义为：typedef basic_string string;

也就是说C++中的string类是一个泛型类，由模板而实例化的一个标准类，本质上不是一个标准数据类型。

至于为什么不直接用String标准数据类型而用类是因为编码

每个国家的语言不同 比如说英语使用26个英文字母基本就能表述所有的单词 但是对于中文的字符呢？是不是就要用其他编码方式啊（比如说utf-8）

补充：

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

二.string类常用接口

1. string类对象的常见构造

代码演示：

void test_string1()
{
	string s1;			//构造空string对象
	string s2("hello"); //使用C-string字符串构造string对象s2
	string s3(10, 'x'); //使用十个'x'字符构造string对象s3
	string s4(s2);		//拷贝构造
}

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。
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。

补充：

resize与reverse是为了在已知数据大小的情况下避免多次扩容，减小开销

 代码演示：

void test_string2()
{
	string s1("hello"); 

	//size与length都为 5
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.length() << endl;
	cout << s1.capacity() << endl;

	//clear仅会改变有效字符个数，size会被置为0，不会改变容量大小
	//capacity为字符串的容量，会自行扩容
	s1.clear();
	cout << s1.size() << endl;     
	cout << s1.capacity() << endl;

	//将字符串有效个数变为10个，多出来的用'x'赋值,若有效个数超过容量大小,capacity还会扩容
	//此时字符窜内容为：“xxxxxxxxxx”
	s1.resize(10, 'x');
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1 << endl;

	//将capacity改变为128
	//注意：编译器不一定会正好将capacity置为128，这得看编译器的扩容机制
	s1.reserve(128);
	cout << s1.capacity() << endl;
}

3. string类对象的访问及遍历操作

void test_string3()
{
	string s1("hello world!");
	// 3种遍历方式：
	// 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，
	// 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多
	
	//第一种：operator[]
	for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
	{
		cout << s1[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	//第二种：正向迭代器
	string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;

	//反向迭代器
	// string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	// C++11之后，直接使用auto定义迭代器，让编译器推到迭代器的类型
	//反向打印
	auto rit = s1.rbegin();
	while (rit != s1.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		rit++;
	}
	cout << endl;

	//第三种：范围for
	for (auto s : s1)
	{
		cout << s << " ";
	}
	cout << endl;
}

4. string类对象的修改操作                                                                                  

void TestString4()
{
	string str;
	str.push_back(' '); // 在str后插入空格
	str.append("hello"); // 在str后追加一个字符"hello"
	str += 'b'; // 在str后追加一个字符'b'
	str += "it"; // 在str后追加一个字符串"it"
	cout << str << endl;
	cout << str.c_str() << endl; // 以C语言的方式打印字符串

	// 获取file的后缀
	string file1("string.cpp");
	size_t pos = file.rfind('.');
	string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));
	cout << suffix << endl;

	// npos是string里面的一个静态成员变量
	// static const size_t npos = -1;

	// 取出url中的域名
	string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");
	cout << url << endl;
	size_t start = url.find("://");
	if (start == string::npos){
		cout << "invalid url" << endl;
		return;
	}
	start += 3;
	size_t finish = url.find('/', start);
	string address = url.substr(start, finish - start);
	cout << address << endl;

	// 删除url的协议前缀
	pos = url.find("://");
	url.erase(0, pos + 3);
	cout << url << endl;
}
}

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，这样可以减少多次扩容带来的开销

5. string类非成员函数

三：模拟实现string类及其常用接口

namespace zyq
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;
		//构造函数
		string()
		{
			_str = new char[1];
			_size = 0;
			_capacity = 0;
			_str[0] = '\0';
		}
		string(const char* str)
			:_size(strlen(str))
			, _capacity(strlen(str))
			, _str(new char[strlen(str) + 1])
		{
			strcpy(_str, str);
		}
		//析构函数
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_size = 0;
			_capacity = 0;
		}
		//拷贝构造
		
		//旧版本拷贝构造
		/*string(const string& s)
		{
			_str = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
		}*/
		//新版本拷贝构造
		string(const string& s)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}
        /*
        string(string ss)
		{
			swap(ss);
		}
        */
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}

		size_t capacity()const
		{
			return _capacity;
		}

		//遍历
		char* c_str()
		{
			return _str;
		}

		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		const char& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}

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

		void push_back(char c)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
				reserve(newcapacity);
			}
			_str[_size] = c;
			++_size;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_capacity + len);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

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

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

			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
				reserve(newcapacity);
			}

			size_t end = _size + 1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				end--;
			}

			_str[pos] = ch;
			++_size;
		}

		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			size_t end = _size + len;
			while (end >= pos + len)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				--end;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}
		void erase(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			//len>_size-1 这样写可以防止溢出
			if (len == npos || len > _size - pos)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}

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

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

		size_t find(char ch,size_t pos=0) const
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
					return i;
			}
			return npos;
		}

		size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			char* ret = strstr(_str, str);
			if (ret)
			{
				return ret - _str;
			}
			return npos;
		}

		string& operator=(const string& s)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
			return *this;
		}

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

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

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

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

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

private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
public:
	static const size_t npos;
};

const size_t string::npos = -1;

void swap(string& s1, string& s2)
{
	s1.swap(s2);
}

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	for (auto ch : s)
	{
		out << ch;
	}
	return out;
}

istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	char ret[128];
	int i = 0;
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		ret[i++] = ch;
		if (i == 127)
		{
			ret[127] = '\0';
			s += ret;
			i = 0;
		}
		ch = in.get();
	}
	if (i > 0)
	{
		ret[i] = '\0';
		s += ret;
	}
	return in;
}

istream& getline(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	char ret[128];
	int i = 0;
	while ( ch != '\n')
	{
		ret[i++] = ch;
		if (i == 127)
		{
			ret[127] = '\0';
			s += ret;
			i = 0;
		}
		ch = in.get();
	}
	if (i > 0)
	{
		ret[i] = '\0';
		s += ret;
	}
	return in;
}

}

补充：

1.VS与g++下string类的结构

• vs下string的结构

在VS下，一个string类对象占28个字节（32位），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;

VS多出这个字符数组也是有一定道理的，因为平常使用的string保存的多都是一些长度比较短的字符串，而数组是在栈上开辟的，像上述我自己模拟实现的string类保存字符串的空间都是从堆上开辟出来的，在栈上开辟空间是比在堆上开空间效率高的，所以VS这种做法是用空间换取效率的做法

• g++下的string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
• 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

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

例如：

string s（“hello world”）；

2.浅谈写实拷贝与引用计数

        由于一般的拷贝构造都要进行深拷贝，有人就提出了疑问，若通过拷贝构造出来的对象仅仅只会进行读操作，不会内容进行修改，尤其是string对象内容非常庞大时，那给他开辟空间不会是很大的浪费吗？顾提出了遇到了上述只会进行读操作的对象进行拷贝构造时能否不开辟新的空间，使其与被拷贝对象指向同一段空间。

要避免觉这个浪费需要先解决两个问题：

1. 多个对象指向同一段空间，会导致多次析构
2. 若其中一个对象要进行修改，会引起其他对象内容的改变

2.1 引用计数（问题一）

        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

2.2 写实拷贝（问题二）

若其中一个对象要进行修改操作，则新开辟一段空间，将数据拷贝到新空间中，并将引用计数--，

写实拷贝其实就是在堵拷贝构造的对象不会进行写操作，若要进行写操作就给他独立开辟一段空间，也不亏，若不进行写操作，那就省去了一笔开辟空间的消耗文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-842434.html

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