【C++】string类的模拟实现

炸掉地球2024-07-02 17:48

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本篇参考C++string类参考手册，实现一些string的常用接口，接口原型在该网站查阅。

string类的存储结构

string类的底层实际上是char类型的顺序表，所以结构上也比较相似。

cpp 复制代码 
namespace lw
{
	class string
	{
		public:
			static const size_t npos;
		private:
			size_t _size;//有效数据个数
			size_t _capacity;//可存储的容量
			char* _str;//指向字符串起始位置的地址
	};
	const size_t string::npos = -1;
};

STL源码中，许多整型变量类型都是size_t无符号整型（没有负值）；npos是string类常用到的一个值，有些函数的参数或者返回值是npos，并且这个值设为-1（表示2^32^-1），参考标准库中的定义。

为什么string定义在一个命名空间中?

我们如果展开了标准库using namespace std; 那string默认使用的就是标准库中的。如果不展开标准库，那么所有的cin和cout都需要加上std:: 比较繁琐。

用一个命名空间对我们自己实现的string类进行封装，可以方便我们随时测试代码，与库里的string类进行测试对比，只需要改::前面的作用域即可。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
	string s("hello world");//默认标准库
	std::string s("hello world");//标准库
	lw::string s("hello world");//自己定义的类
	cout << s << endl;
	return 0;
}

string与C语言中的char类型字符串的一个较大的区别就是：char类型的字符串是以\0为结束符，遇到\0就停止；而string是以_size来判断是否结束，遇到\0并不会停止。 这点很重要，一定要弄清楚！

默认成员函数

常用的四个默认成员函数，一般情况我们不需要显示定义，使用编译成生成的即可；但string类涉及到资源申请，所以我们必须自己显示定义。

构造函数

官网的参考手册中给的string标准库有很多构造函数重载，我们只实现常用的两个构造。这两个我们可以合并成一个实现。

cpp 复制代码 
string();
string(const char* s);

缺省值不能给nullptr，一是因为strlen无法计算空指针，二是因为无参标准库默认给的就是空串。

这里strcpy和memcpy都可以，因为是对char类型字符串进行拷贝，拷贝str在\0之前的内容。用memcpy只是为了和后面的写法统一。

cpp 复制代码 
string(const char* str = "")
	: _size(strlen(str))
	, _capacity(strlen(str))
	, _str(new char[strlen(str) + 1])//多一个空间给'\0'
{
	//strcpy(_str, str);//strcpy也可以，只是为了与后面统一，换成memcpy
	memcpy(_str, str, _size + 1);//'\0'也要拷贝
}

我们在new新空间时，每次多new一个空间给\0留位置。 memcpy在拷贝时，多拷贝一个字节把末尾\0也拷贝过去。

析构函数

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

拷贝构造函数

深浅拷贝问题

编译器默认生成的是浅拷贝 ，就是只将s._str的指针地址拷贝给了新对象的_str，两个对象指向同一块地址！ 那么就会出问题：

1.一块空间最后会析构两次，程序必然崩溃；

2.一个对象修改，另一个对象也会修改；

所以我们需要进行深拷贝，重新申请一块空间，把s._str指向地址的内容拷贝过来。

cpp 复制代码 
string(const string& s)
{
	_str = new char[s.capacity() + 1];//多一个空间给'\0'
	//strcpy(_str, s._str);//遇到'\0'终止，后面内容无法拷贝
	memcpy(_str, s._str, s._size + 1);//末尾'\0'也拷贝过来
	_size = s._size;
	_capacity = s._capacity;
}

注意：这里不能用strcpy来拷贝数据 ，因为strcpy的拷贝结束条件是遇到\0终止，而string对象是可以存储\0的，strcpy不会将\0后面内容拷贝过来，所以要用memcpy或者memmove按照字节进行拷贝，多拷贝一个字节是将末尾的\0也拷贝过来。

赋值重载

与拷贝构造原理类似，但要先将申请的空间存放在临时变量里，防止空间开辟失败丢失原数据。原始空间别忘了释放！

cpp 复制代码 
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		char* tmp = new char[s._capacity + 1];
		memcpy(tmp, s._str, s._size + 1);
		delete[] _str;//释放原始空间
		_str = tmp;
		_size = s._size;
		_capacity = s._capacity;
	}
	return *this;//支持连续赋值
}

第二种写法：我们可以利用库里的swap函数将两个对象_str指向的地址和数据个数、容量完全交换。顺便将swap接口也实现了。

cpp 复制代码 
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//现代写法
string& operator=(string s)//不能传引用也不能加const
{
	swap(s);
	return *this;
}

注意：不能影响右操作数实参的值，所以右操作数传参只能以传值方式，且不能加const，否则不能交换改变。并且我们不需要进行自己给自己赋值的判断，因为s是实参的拷贝，一定与原对象地址不同。

容量操作

size()

cpp 复制代码 
size_t size() const
{
	return _size;
}

capacity()

cpp 复制代码 
size_t capacity() const
{
	return _capacity;
}

reserve()

只扩容不缩容，指定n大于原始容量则进行扩容，否则不进行操作。
拷贝时还是同样要注意\0问题，不能用strcpy。

cpp 复制代码 
void reserve(size_t n)
{
	if (n > _capacity)
	{
		char* tmp = new char[n + 1];
		//strcpy(tmp, _str);//错误，无法拷贝'\0'后面的内容
		memcpy(tmp, _str, _size + 1);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = n;
	}
}

resize()

resize()只改变有效数据个数，不会改变容量。

n > _size：缩小长度为n，多余内容删掉。

n < _szie：增加长度到n，剩下空间用给定的字符参数c填充，无参默认补充\0。

cpp 复制代码 
void resize (size_t n);
void resize (size_t n, char c);

库里的resize()函数有两个版本，同样我们可以合成一个版本，第二个参数给缺省值\0即可。

cpp 复制代码 
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
	assert(n >= 0);
	if (n < _size)//缩小长度，后面删掉
	{
		_size = n;
		_str[_size] = '\0';
	}
	else
	{
		reserve(n);//reserve会检查容量
		for (size_t i = _size; i < n; i++)
		{
			_str[i] = ch;
		}
		_size = n;
		_str[_size] = '\0';
	}
}

clear()

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

遍历与访问

operator[ ]

需要实现两个版本：普通对象调用[ ]可读可写，const对象调用[ ]只可读不可写。

cpp 复制代码 
char& operator[](size_t pos)//可读可写
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}
const& char operator[](size_t pos) const//可写
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}

迭代器范围与for

迭代器不一定是指针，而string的迭代器我们可以用指针来模拟实现。将指针重命名为迭代器。

cpp 复制代码 
typedef char* iterator;//普通迭代器 可读可写
iterator begin()
{
	return _str;
}
iterator end()
{
	return _str + _size;
}

typedef const char* const_iterator;//const迭代器 只可读
const_iterator begin() const
{
	return _str;
}
const_iterator end() const
{
	return _str + _size;
}

左闭右开区间，所以begin()返回字符串起始位置，end()返回末尾字符的下一个位置\0。

范围for

实现迭代器后，我们就可以使用范围for了。范围for是C++11的新语法，它的底层是傻瓜式地替换成迭代器，支持迭代器就支持范围for。

cpp 复制代码 
int main()
{
	lw::string s1("hello world");
	lw::string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		*it += 1;
		cout << *it << ' ';
		it++;
	}
	cout << endl;
	for (auto ch : s1)
	{
		cout << ch << ' ';
	}
	cout << endl;
}

增删查改

push_back()

末尾要放\0

cpp 复制代码 
void push_back(char ch)
{
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 10 : _capacity * 2);
	}
	_str[_size++] = ch;
	_str[_size] = '\0';
}

pop_back()

cpp 复制代码 
void pop_back()
{
	assert(_size > 0);
	_size--;
	_str[_size] = '\0';
}

append()

append()在末尾追加字符串，空间不够则扩容，如果每次将_capacity扩2倍，一方面可能造成空间浪费，另一方面可能原始空间太小导致频繁扩容，所以我们最好提前计算好扩容的空间。

append的接口也有很多，下面给出最常用的两种。

cpp 复制代码 
string& append(const char* str)
{
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len);
	}
	//strcpy(_str + _size, str);//strcat效率O(n+m) strcpy效率O(m)
	memcpy(_str + _size, str, len + 1);//末尾的'\0'也要拷贝
	_size += len;
	return *this;
}
string& append(const string& s)
{
	if (_size + s._size> _capacity)
	{
		reserve(_size + s._size);
	}
	memcpy(_str + _size, s._str, s._size + 1);//末尾的'\0'也要拷贝
	_size += s._size;
	return *this;
}

operator+=

+=是string经常用到的操作符，使用非常方便。

operator+=总共有三个重载版本，我们可以直接复用push_back()和append()

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

insert()

任意位置插入字符ch

cpp 复制代码 
string& insert(size_t pos, size_t n, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	if (_size + n > _capacity)
	{
		reserve(_size + n);
	}
	for (size_t end = _size; end >= pos; end--)
	{
		//pos==0时end会减到-1
		//无符号整型 end=-1时表示42亿多 不加判断会无限循环
		if (end == npos)
		{
			break;
		}
		_str[end + n] = _str[end];
	}
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		_str[i + pos] = ch;
	}
	_size += n;
	return *this;
}

任意位置插入字符串str

cpp 复制代码 
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos <= _size);
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len);
	}
	for (size_t end = _size; end >= pos; end--)
	{
		if (end == npos)
		{
			break;
		}
		_str[end + len] = _str[end];
	}
	memcpy(_str + pos, str, len);//不能多拷贝一个字节
	_size += len;
	return *this;
}

注意 ：这里的memcpy不能跟之前一样多拷贝一个字节，否则会将原对象pos+1的字符替换成\0，会出错。

erase()

cpp 复制代码 
string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
	assert(pos < _size);
	//没给参数 或者 要删除的个数>=pos后面剩下的个数 则后面包括pos位置全部删掉
	if (len == npos || pos + len >= _size)
	{
		//pos及pos后面所有字符都删掉
		_size = pos;
		_str[_size] = '\0';
	}
	else
	{
		memcpy(_str + pos, _str + pos + len, len);
		_size -= len;
	}
	return *this;
}

c_str()

返回字符串首地址，以\0结束。这个接口主要是用来兼容C语言的。

cpp 复制代码 
const char* c_str() const
{
	return _str;
}

find()

find查找失败会返回npos，找到则返回下标

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

substr()

返回子串

cpp 复制代码 
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const
{
	assert(pos < _size);
	size_t n = len;//子串长度
	if (len == npos || pos + len > _size)
	{
		n = _size - pos;
	}
	string tmp;
	for (size_t i = 0; i < n; i++)
	{
		tmp += _str[i + pos];//复用+=
	}
	return tmp;
}

非成员函数

operator+

实际上+操作符很少用，直接用+=更方便省事；这里只实现了一个接口，重载为友元函数。

cpp 复制代码 
string operator+(const string& s1, const string& s2)
{
	string tmp(s1);
	tmp += s2;
	return tmp;
}

关系运算符

C++官方手册中，每种运算符都有3种重载版本，这里每个只实现了一种，重要的是理解本质，加深对string的理解。

为什么用C语言的memcmp函数进行字节上的比较，不用strcmp？

因为strcmp遇到\0终止，而string不看\0，以_size为终止。

当然也可以不用memcmp，遍历每个字符进行比较。

cpp 复制代码 
bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
	return s1._size == s2._size 
		&& memcmp(s1._str, s2._str, min(s1._size, s2._size)) == 0;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
	int ret = memcmp(s1._str, s2._str, min(s1._size, s2._size));
	return ret == 0 ? s1._size < s2._size : ret < 0;
}

//直接复用
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{
	return !(s1 == s2);
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
{
	return (s1 < s2) || (s1 == s2);
}
bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
	return !(s1 <= s2);
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
	return !(s1 < s2);
}

流插入<<和流提取>>

流插入的实现可以借助范围for，本质是遍历整个字符串打印每个字符。

cpp 复制代码 
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	//out << s._str;//'\0'后面的内容无法打印
	for (auto ch : s)
	{
		out << ch;
	}
	return out;//带返回值 支持连续输出
}

流提取需要注意几种情况：
1.每次读取之前需要先清空string对象，否则会叠加之前的内容。
2.为什么用get()读取而不用>>？

流提取>>默认是跳过空格和换行的，所以>>永远无法读取空格和换行，程序会一直运行一直可以输入。
3.如果字符串前面有空格或者换行，标准库的>>会默认清理空格和换行。所以要预先处理前面的空格和换行。

cpp 复制代码 
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();//清空之前的内容
	char ch = in.get();//可以读取空格和换行
 	//处理掉缓冲区前面的空格或者换行
	while (ch == ' ' || ch == '\n')
	{
		ch = in.get();
	}
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		s += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

getline()

getline可以自定义读取的分隔符，遇到分隔符就不再读取，字符参数默认为\n，换行截断。

cpp 复制代码 
istream& getline(istream& in, string& s, char delim = '\n')
{
	s.clear();//清空之前的内容
	char ch = in.get();
	while (ch != delim)
	{
		s += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

整体代码->：string模拟实现代码

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