【C++】STL简介 | STL六大组件 | string类 | string类对象操作

[1. 什么是STL](#1. 什么是STL)

[2. STL的版本](#2. STL的版本)

[3. STL的六大组件](#3. STL的六大组件)

[4. STL的缺陷](#4. STL的缺陷)

[5. 引出string类](#5. 引出string类)

[6. 标准库中的string类](#6. 标准库中的string类)

[6.1 string类简介](#6.1 string类简介)

[6.2 string类对象的构造](#6.2 string类对象的构造)

[6.3. string类对象的容量](#6.3. string类对象的容量)

[6.4. string类对象的遍历](#6.4. string类对象的遍历)

[6.5. string类对象的修改](#6.5. string类对象的修改)

[6.6. string类非成员函数](#6.6. string类非成员函数)

[6.7. vs和g++下string结构的说明](#6.7. vs和g++下string结构的说明)

1. 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架。

STL是C++标准库的一部分。

2. STL的版本

◆ 原始版本

Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。 HP 版本--所有STL实现版本的始祖。

◆ P. J. 版本

由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异。

◆ RW版本

由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C++ Builder采用，不能公开或修改，可读性一般。

◆ SGI版本

由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高。我们后面学习STL要阅读部分源代码，主要参考的就是这个版本。

3. STL的六大组件

4. STL的缺陷

STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。

STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。

STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。

STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的。

5. 引出string类

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。

6. 标准库中的string类

6.1 string类简介

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;

6.2 string类对象的构造

|---------------------------------------------------------------|-------------------------|
| (constructor)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) | 用字符串来构造string类对象 |
| string(const string &s) | 拷贝构造函数 |
| string (const string& s, size_t pos, size_t len = npos); | 从第pos个位置拷贝npos个 |
| string(size_t n, char c) | string类对象中包含n个字符c |

void Teststring()
{
	string s1;                //构造空的string类对象s1
	string s2("hello word");  //用字符串构造string类对象s2
	string s3(s2);            //拷贝构造s3
	string s4(s2,5,3);        //拷贝构造s2，从第5个位置开始（从0开始）取3个字符
	string s5(s2,5,10);	      //拷贝构造s2，从第5个位置开始，取10个字符，不够，有多少取多少
	string s6(s2,5);          //拷贝构造s2，从第5个位置开始，取余下的

	cout << s1 << endl;
	cout << s2 << endl;
	cout << s3 << endl;
	cout << s4 << endl;
	cout << s5 << endl;
	cout << s6 << endl;
}

int main()
{
	Teststring();
	
	return 0;
}

6.3. string类对象的容量

|------------------|----------------------------------|
| 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 |

void Teststring2()
{
	string s1("hello word");

	for(size_t i=0;i<s1.size();i++)
	{
		cout << s1[i] << " ";			  //这里的[]实际是调用的运算符重载
		cout << s1.operator[](i) << " ";  //[]运算符重载
	}
	cout << endl;
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.capacity() << endl;
}

int main()
{
	Teststring2();
	
	return 0;
}

查看扩容机制：

void Teststring2()
{
	string s1("hello word");

	for(size_t i=0;i<s1.size();i++)
	{
		cout << s1[i] << " ";			  //这里的[]实际是调用的运算符重载
		cout << s1.operator[](i) << " ";  //[]运算符重载
	}
	cout << endl;
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.capacity() << endl;
}

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, 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。

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。

6.4. string类对象的遍历

|-------------------|---------------------------------------------|
| 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+ end | begin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 + rend | begin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for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |

用迭代器遍历

void Teststring3()
{
	string s1("hello word");
	const string s2("hello word");

	string::iterator it1 = s1.begin();   //begin为开始位置
	while(it1 != s1.end())				 //end为最后的下一个位置
	{
		cout << *it1 << " ";
		++it1;
	}

	string::const_iterator it2 = s2.begin();   //const迭代器，只读，不可以修改
	while(it1 != s2.end())				
	{
		cout << *it2 << " ";
		++it2;
	}

}

void Teststring4()
{
	string s1("hello word");

	string::reverse_iterator rit = s1.rbegin();  //反向迭代器
	while(rit != s1.rend())				 
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}
}

6.5. s t r i ng 类对象的修改

|---------------------|-------------------------------------|
| 函数名称 | 功能说明 |
| push_back | 在字符串后尾插字符 |
| 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 |
| 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 |

void Teststring4()
{
	string s1("hello word");
	s1.push_back('!');
	cout << s1 << endl;

	s1.append("hello bit");
	cout << s1 << endl;

	s1.append(10,'x');
	cout << s1 << endl;
 
}

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。

6.6. 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 |

6.7. 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：
stri ng 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s tr i ng 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s i ze_ t 字段保存字符串长度，一个s i ze_ 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s t r i ng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

◆ 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;
};

本章完。