[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
(constructor)函数名称功能说明
string() （重点）构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) （重点）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) （重点）拷贝构造函数

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
函数名称功能说明
size（重点）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 （重点）检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
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。

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
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+ endbegin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 + rendbegin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
范围forC++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

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                                                                                  
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+= (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
insert(size_t pos,const string& str)在pos位置后插入str对象的字符串
insert(size_t pos,const char* str)在pos位置后插入C类型的字符串
insert(size_t pos,char ch)在pos位置后插入字符ch
erase(size_t pos,size_t len=npos)删除pos位置后len个字符，若len为缺省则删除pos位置后的所有字符
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
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>> （重点）输入运算符重载
operator<< （重点）输出运算符重载
getline （重点）获取一行字符串
relational operators（重点）大小比较

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);
		}

		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;
}

}

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