【C++庖丁解牛】模拟实现STL的string容器（最后附源码）

对纯音乐情有独钟的阿甘2024-03-11 19:43

📙 作者简介 ：RO-BERRY

📗 学习方向：致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识

📒 日后方向 : 偏向于CPP开发以及大数据方向，欢迎各位关注，谢谢各位的支持

目录

1.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。

  1. 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：
  • 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

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。

  1. 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
  • 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

2.经典的string类问题

已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下string类的实现是否有问题？

csharp 复制代码 
// 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);
}


说明： 上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

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。

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。

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。

3.模拟实现string

模拟实现string需要我们定义一个命名空间达到隔绝的效果，为了不和库里名称重复

private成员变量

cpp 复制代码 
	private:
		size_t _capacity = 0;
		size_t _size = 0;
		char* _str = nullptr;
		
		const static size_t npos = -1;  //特殊处理，本来是不可以，加上const后可以在这里定义
		//const static double npos = -1;  //这个设计只针对整数，对其他类型都不支持

构造函数

c 复制代码 
		//string()   这是默认构造，但是我们可以直接写全缺省的构造函数就不需要这个了
		//	:_str(new char[1])   //这里不能设置为nullptr，设置了会出现空指针解引用的错误
		//	, _size(0)
		//	, _capacity(0)
		//{
		//	_str[0] = '\0';      //str初始化为一个\0,与库里面的string相同
		//}
		string(const char* str = "")  //这里给一个空的字符串即可,达到缺省的目的
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];  //这里要加1，因为strlen是不算\0,我们要给他加上

			strcpy(_str, str);             //开空间了之后进行拷贝
		}

拷贝构造函数

csharp 复制代码 
		//拷贝构造--防止浅拷贝出现异常，这里就是要实现深拷贝
		//传统写法
		//string(const string& s)
		//{
		//	_str = new char[s._capacity + 1];
		//	strcpy(_str, s._str);
		//	_size = s._size;
		//	_capacity = s._capacity;
		//}

		//现代写法
		string(const string& s)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);           //swap是我们自定义的函数具体介绍在后面
		}

赋值拷贝

csharp 复制代码 
		//传统写法
		//string& operator=(const string& s)
		//{
		//	if (this != &s)
		//	{
		//		char* tmp = new char[s._capacity + 1];
		//		strcpy(tmp, s._str);
		//		delete[] _str;

		//		_str = tmp;
		//		_size = s._size;
		//		_capacity = s._capacity;
		//	}
		//	return *this;
		//}
		
		//现代写法
		string& operator=(string s)
		{
			swap(s);
			return *this;
		}

析构函数

cpp 复制代码 
		~string()				//析构函数
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = 0;
			_capacity = 0;
		}

接口 c_str

返回字符串

cpp 复制代码 
		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
		size_t size() const //只读函数加const
		{
			return _size;
		}

接口operatror[]

实现string的下标访问

cpp 复制代码 
		const char& operator[](size_t pos) const  //下标访问数据,返回字符引用,根据需求加const，为了print函数能调用
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言

			return _str[pos];
		}
		char& operator[](size_t pos)  //下标访问数据,返回字符引用1.减少拷贝2.可以进行修改
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言

			return _str[pos];
		}

reserve接口

预存容量

cpp 复制代码 
		void reserve(size_t n)  //扩容--开新空间，将数据拷贝，在进行释放旧空间
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}

push_back接口

尾插

cpp 复制代码 
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)  //扩容
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}

			_str[_size] = ch;
			_size++;
			_str[_size] = '\0';
		}

append接口

cpp 复制代码 
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

operator+=

实现

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

insert接口

cpp 复制代码 
		//在pos位置插入ch字符
		void insert(size_t pos, char ch)   
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言

			if (_size == _capacity)  //扩容
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}
			size_t end = _size + 1;   //这里采用size+1，为了阻止临界0出现越界
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				--end;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}
		
		//在pos位置插入str字符串
		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			int end = _size;
			while (end >=(int) pos)
			{
				_str[end + len] = _str[end];
				--end;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}

erase接口

cpp 复制代码 
		void erase(size_t pos, size_t len=npos)  //缺省值
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || pos + len >= _size)   //没有传入len，全删
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}

swap接口

cpp 复制代码 
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);     //调用的库里的swap函数
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

find接口

cpp 复制代码 
		//在pos位置之后查找字符ch
		size_t find(char ch,size_t pos=0)
		{
			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}
		//在pos位置之后查找字符串str
		size_t find(const char* str , size_t pos = 0)
		{
			const char* ptr = strstr(_str, str);
			if (ptr == nullptr)
			{
				return npos;
			}
			else
			{
				return ptr - _str;
			}
		}

substr接口

cpp 复制代码 
		//在pos位置之后取len长度的字符串
		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			size_t end = pos + len;
			if (len == npos || pos + len >= _size)  //有多少取多少
			{
				end = _size;
			}

			string str;
			str.reserve(end - pos);
			for (size_t i = pos; i < end; i++)
			{
				str += _str[i];
			}
			return str;
		}

clear接口

cpp 复制代码 
		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[0] = '\0';
		}

流插入输出

实现cout输出以及cin输入string

cpp 复制代码 
	//流插入重载很特殊在全局重载
	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		//直接进行输出即可
		for (auto ch : s)
		{
			out << ch;
		}
		return out;
	}
	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char buff[128];        //如果输入的字符串比较长，就需要很多次扩容，使用buff就不需要考虑没空间的问题
		char ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到
		//in >> ch;            //cin默认取不到换行和空格
		int i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[i] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;
			}

			//in >> ch;
			ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到
		}
		if (i > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}

打印

cpp 复制代码 
	//设置在全局的打印函数
	void print_str(const string& s)
	{
		for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
		{
			cout << s[i] << endl;
		}
		cout << s.c_str() << endl;

		//迭代器的使用  本身可以修改指向的内容不可修改
		string::const_iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

4.测试集

test1

cpp 复制代码 
	void test_string1()     //测试函数
	{
		string s1("hello world");     //构造函数测试
		cout << s1.c_str() << endl;

		string s2("hello world");
		cout << s2.c_str() << endl;

		//遍历
		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
		{
			s1[i]++;
		}
		cout << s1.c_str() << endl;

		//对于const对象迭代器的使用
		string::iterator it = s1.begin();
		while (it != s1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		//傻瓜式的替换成迭代器
		for (auto ch : s1)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;

		print_str(s1);    //print函数的调用
		cout << endl;
	}

运行结果:

test2

cpp 复制代码 
	void test_string2()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;
		
		//insert函数测试
		s1.insert(5, 'y');
		s1.insert(0, 'y');
		cout << s1.c_str() << endl;
		s1.insert(5, "yxxxx");
		cout << s1.c_str() << endl;
	}

运行结果：

test3

cpp 复制代码 
	void test_string3()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.erase(5, 3);
		cout << s1.c_str() << endl;
		s1.erase(5, 100);
		cout << s1.c_str() << endl;

	}

运行结果：

test4

cpp 复制代码 
	void test_string4()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;
		string s2("xxxxxx");
		//std::swap(s1, s2);
		s1.swap(s2);
		cout << s1.c_str() << endl;
	}

运行结果：

test5

cpp 复制代码 
	void test_string5()
	{
		string s1("hello world");
		string s2(s1);      //需要深拷贝
		cout << s2.c_str() << endl;


		string s3 = "xxxxxx";  //需要写赋值构造，因为要考虑空间不同的问题
		s1 = s3;
		cout << s1.c_str() << endl;

	}

运行结果：

test6

cpp 复制代码 
	void test_string6()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;  //传统打印
		//实现直接打印
		cout << s1 << endl;

		cin >> s1;
		cout << s1 << endl;


	}

运行结果：

5.源码

string.h

cpp 复制代码 
#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>
using namespace std;

namespace A  //命名空间
{
	class string
	{
	public:
		//string()   这是默认构造，但是我们可以直接写全缺省的构造函数就不需要这个了
		//	:_str(new char[1])   //这里不能设置为nullptr，设置了会出现空指针解引用的错误
		//	, _size(0)
		//	, _capacity(0)
		//{
		//	_str[0] = '\0';      //str初始化为一个\0,与库里面的string相同
		//}

		//迭代器---这里的迭代器是我们的原生指针，但是不是所有的容器都是原生指针，这是因为string底层是连续的空间
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

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


		string(const char* str = "")  //这里给一个空的字符串即可,达到缺省的目的
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];  //这里要加1，因为strlen是不算\0,我们要给他加上

			strcpy(_str, str);             //开空间了之后进行拷贝
		}

		//拷贝构造--防止浅拷贝出现异常，这里就是要实现深拷贝
		//传统写法
		//string(const string& s)
		//{
		//	_str = new char[s._capacity + 1];
		//	strcpy(_str, s._str);
		//	_size = s._size;
		//	_capacity = s._capacity;
		//}

		//现代写法
		string(const string& s)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}

		//传统写法
		//string& operator=(const string& s)
		//{
		//	if (this != &s)
		//	{
		//		char* tmp = new char[s._capacity + 1];
		//		strcpy(tmp, s._str);
		//		delete[] _str;

		//		_str = tmp;
		//		_size = s._size;
		//		_capacity = s._capacity;
		//	}
		//	return *this;
		//}
		
		//现代写法
		string& operator=(string s)
		{
			swap(s);
			return *this;
		}


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

		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
		size_t size() const //只读函数加const
		{
			return _size;
		}

		const char& operator[](size_t pos) const  //下标访问数据,返回字符引用,根据需求加const，为了print函数能调用
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言

			return _str[pos];
		}
		char& operator[](size_t pos)  //下标访问数据,返回字符引用1.减少拷贝2.可以进行修改
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言

			return _str[pos];
		}

		void reserve(size_t n)  //扩容--开新空间，将数据拷贝，在进行释放旧空间
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)  //扩容
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}

			_str[_size] = ch;
			_size++;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + 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);  //越界断言

			if (_size == _capacity)  //扩容
			{
				size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newCapacity);
			}
			size_t end = _size + 1;   //这里采用size+1，为了阻止临界0出现越界
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				--end;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}
		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);  //越界断言
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			int end = _size;
			while (end >=(int) pos)
			{
				_str[end + len] = _str[end];
				--end;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}

		void erase(size_t pos, size_t len=npos)  //缺省值
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || pos + len >= _size)   //没有传入len，全删
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}

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

		size_t find(char ch,size_t pos=0)
		{
			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 char* ptr = strstr(_str, str);
			if (ptr == nullptr)
			{
				return npos;
			}
			else
			{
				return ptr - _str;
			}
		}

		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			size_t end = pos + len;
			if (len == npos || pos + len >= _size)  //有多少取多少
			{
				end = _size;
			}

			string str;
			str.reserve(end - pos);
			for (size_t i = pos; i < end; i++)
			{
				str += _str[i];
			}
			return str;
		}

		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[0] = '\0';
		}
	private:
		size_t _capacity = 0;
		size_t _size = 0;
		char* _str = nullptr;
		
		const static size_t npos = -1;  //特殊处理，本来是不可以，加上const后可以在这里定义
		//const static double npos = -1;  //这个设计只针对整数，对其他类型都不支持
	};
	
	//流插入重载很特殊在全局重载
	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		//直接进行输出即可
		for (auto ch : s)
		{
			out << ch;
		}
		return out;
	}
	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char buff[128];        //如果输入的字符串比较长，就需要很多次扩容，使用buff就不需要考虑没空间的问题
		char ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到
		//in >> ch;            //cin默认取不到换行和空格
		int i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[i] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;
			}

			//in >> ch;
			ch = in.get();    //这里要用in.get()函数才能取到
		}
		if (i > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}


	
	void print_str(const string& s)
	{
		for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
		{
			cout << s[i] << endl;
		}
		cout << s.c_str() << endl;

		//迭代器的使用  本身可以修改指向的内容不可修改
		string::const_iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	}

	void test_string1()     //测试函数
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		string s2("hello world");
		cout << s2.c_str() << endl;

		//遍历
		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
		{
			s1[i]++;
		}
		cout << s1.c_str() << endl;

		//对于const对象迭代器的使用
		string::iterator it = s1.begin();
		while (it != s1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;

		//傻瓜式的替换成迭代器
		for (auto ch : s1)
		{
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;

		print_str(s1);
		cout << endl;
	}
	void test_string2()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		//s1 += "";
		//s1 += "assss";
		//cout << s1.c_str() << endl;

		s1.insert(5, 'y');
		s1.insert(0, 'y');
		cout << s1.c_str() << endl;
		s1.insert(5, "yxxxx");
		cout << s1.c_str() << endl;
	}

	void test_string3()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.erase(5, 3);
		cout << s1.c_str() << endl;
		s1.erase(5, 100);
		cout << s1.c_str() << endl;

	}
	void test_string4()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;
		string s2("xxxxxx");
		//std::swap(s1, s2);
		s1.swap(s2);
		cout << s1.c_str() << endl;
	}
	void test_string5()
	{
		string s1("hello world");
		string s2(s1);      //需要深拷贝
		cout << s2.c_str() << endl;


		string s3 = "xxxxxx";  //需要写赋值构造，因为要考虑空间不同的问题
		s1 = s3;
		cout << s1.c_str() << endl;

	}
	void test_string6()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;  //传统打印
		//实现直接打印
		cout << s1 << endl;

		cin >> s1;
		cout << s1 << endl;


	}
}

test.cpp

cpp 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include"string.h"
int main()
{
	//A::test_string1();
	//A::test_string2();
	//A::test_string3();
	//A::test_string4();
	//A::test_string5();
	A::test_string6();
	return 0;
}
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