【掌握C++ string 类】——【高效字符串操作】的【现代编程艺术】

小李很执着2024-07-08 20:34

专栏：C++学习笔记

上一篇：【C++】------【 STL简介】------【详细讲解】

1. 为什么要学习 string 类？

1.1 C 语言中的字符串

在 C 语言中，字符串是以 '\0' 结尾的字符集合。如下所示：

#include <stdio.h>

int main() {
    char str[] = "Hello, World!";
    printf("%s\n", str);
    return 0;
}

需要记住的知识点：

  1. C 风格字符串是以 '\0' 结尾的字符数组。
  2. 使用 char 类型数组表示字符串。
  3. C 库提供的字符串操作函数与字符串本身是分离的。

小李的理解 ： C 语言中的字符串处理很基础，使用字符数组来存储，但需要手动管理内存，很容易出错。

1.2 两个面试题

字符串转整形数字

题目描述 ：将字符串表示的数字转换为整形数字，例如将 "12345" 转换为 12345。

实现方法 ：可以使用 std::stoi 函数将字符串转换为整形数字。

示例代码：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str = "12345";
    try {
        int num = std::stoi(str); // 将字符串转换为整形数字
        std::cout << "字符串 \"" << str << "\" 转换为整形数字: " << num << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cout << "无效的输入: " << str << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "输入超出范围: " << str << std::endl;
    }
    return 0;
}

需要记住的知识点：

  1. 使用 std::stoi 函数将字符串转换为整形数字。
  2. std::stoi 在转换失败时会抛出异常，可以根据需要进行异常处理。

小李的理解：

使用 std::stoi 函数非常方便，可以直接将表示数字的字符串转换为整形数字。这在处理用户输入或文件读取的数据时非常有用。

字符串相加

题目描述 ：将两个字符串拼接成一个字符串，例如将 "Hello, " 和 "World!" 拼接成 "Hello, World!"。

实现方法 ：可以使用 + 运算符或者 append 方法将两个字符串拼接。

示例代码：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "Hello, ";
    std::string str2 = "World!";
    
    // 方法1：使用 + 运算符拼接
    std::string result1 = str1 + str2;
    std::cout << "使用 + 运算符拼接: " << result1 << std::endl;

    // 方法2：使用 append 方法拼接
    std::string result2 = str1;
    result2.append(str2);
    std::cout << "使用 append 方法拼接: " << result2 << std::endl;

    return 0;
}

需要记住的知识点：

  1. 使用 + 运算符可以方便地将两个字符串拼接。
  2. 使用 append 方法也可以实现字符串拼接，适用于更复杂的字符串操作。

小李的理解：

C++ 中提供了多种字符串拼接方法，+ 运算符简单直观，适合拼接固定数量的字符串。append 方法则适合在循环或更复杂的逻辑中使用。

详细运行结果分析

字符串转整形数字

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str = "12345";
    try {
        int num = std::stoi(str); // 将字符串转换为整形数字
        std::cout << "字符串 \"" << str << "\" 转换为整形数字: " << num << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cout << "无效的输入: " << str << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "输入超出范围: " << str << std::endl;
    }
    return 0;
}

异常处理：

  • std::invalid_argument：如果输入的字符串不是一个有效的整数，则会抛出此异常。
  • std::out_of_range：如果输入的字符串表示的整数超出了整形数字的范围，则会抛出此异常。

需要注意的地方 ：std::stoi 在处理非常大的数字时，可能会抛出 std::out_of_range 异常。

补充代码：处理无效输入和超出范围的情况

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "12345";
    std::string str2 = "12345abc";
    std::string str3 = "99999999999999999999999999";

    try {
        int num1 = std::stoi(str1); // 正确转换
        std::cout << "字符串 \"" << str1 << "\" 转换为整形数字: " << num1 << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cout << "无效的输入: " << str1 << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "输入超出范围: " << str1 << std::endl;
    }

    try {
        int num2 = std::stoi(str2); // 转换失败
        std::cout << "字符串 \"" << str2 << "\" 转换为整形数字: " << num2 << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cout << "无效的输入: " << str2 << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "输入超出范围: " << str2 << std::endl;
    }

    try {
        int num3 = std::stoi(str3); // 转换失败
        std::cout << "字符串 \"" << str3 << "\" 转换为整形数字: " << num3 << std::endl;
    } catch (const std::invalid_argument& e) {
        std::cout << "无效的输入: " << str3 << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "输入超出范围: " << str3 << std::endl;
    }

    return 0;
}

字符串相加

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "Hello, ";
    std::string str2 = "World!";
    
    // 方法1：使用 + 运算符拼接
    std::string result1 = str1 + str2;
    std::cout << "使用 + 运算符拼接: " << result1 << std::endl;

    // 方法2：使用 append 方法拼接
    std::string result2 = str1;
    result2.append(str2);
    std::cout << "使用 append 方法拼接: " << result2 << std::endl;

    return 0;
}

细节分析：

  1. 使用 + 运算符拼接时，会生成一个新的字符串对象。
  2. 使用 append 方法拼接时，会在原有字符串对象上进行修改，适合在需要多次拼接的情况下使用以减少不必要的对象创建。

补充代码：使用多次拼接的情况

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "Hello, ";
    std::string str2 = "World!";
    std::string str3 = " How are you?";

    // 多次使用 + 运算符拼接
    std::string result1 = str1 + str2 + str3;
    std::cout << "多次使用 + 运算符拼接: " << result1 << std::endl;

    // 多次使用 append 方法拼接
    std::string result2 = str1;
    result2.append(str2).append(str3);
    std::cout << "多次使用 append 方法拼接: " << result2 << std::endl;

    return 0;
}

通过这些详细的代码示例和运行结果分析，相信你能更好地理解如何在 C++ 中进行字符串转整形数字和字符串相加操作，并在实际应用中灵活使用这些方法。

2. 标准库中的 string 类

2.1 string 类的基本介绍

文档介绍

  1. string 是一个表示字符序列的类。
  2. string 类提供了丰富的接口，类似于标准容器（如 vector），但还添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
  3. string 是 basic_string 模板类的一个实例，使用 char、char_traits 和 allocator 作为模板参数。
  4. string 类独立于编码处理字节。

需要记住的知识点：

  1. string 类表示字符序列。
  2. 提供类似于标准容器的接口。
  3. string 实际上是 basic_string<char, char_traits, allocator> 的实例。

小李的理解 ： string 类封装了字符串操作，提供了很多方便的函数，不需要我们手动管理内存。

示例代码

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str = "Hello, World!";
    std::cout << str << std::endl;
    return 0;
}

2.2 string 类的常用接口

构造函数

string()：构造一个空的 string 对象。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s;
    std::cout << "Empty string: '" << s << "'" << std::endl;
    return 0;
}

string(const char* s)：用 C 风格字符串构造 string 对象。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s("Hello, World!");
    std::cout << s << std::endl;
    return 0;
}

string(size_t n, char c)：构造一个包含 n 个字符 c 的 string 对象。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s(10, 'a');
    std::cout << s << std::endl;
    return 0;
}

string(const string& s)：拷贝构造函数，用另一个 string 对象构造新对象。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s1 = "Hello";
    std::string s2(s1);
    std::cout << s2 << std::endl;
    return 0;
}
容量操作

size() / length()：返回字符串的有效字符长度。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    std::cout << "Size: " << s.size() << std::endl;
    std::cout << "Length: " << s.length() << std::endl;
    return 0;
}

capacity()：返回字符串的总容量。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    std::cout << "Capacity: " << s.capacity() << std::endl;
    return 0;
}

empty()：检测字符串是否为空，空则返回 true，否则返回 false。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s;
    if (s.empty()) {
        std::cout << "String is empty" << std::endl;
    }
    return 0;
}

clear()：清空字符串中的有效字符。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    s.clear();
    std::cout << "String after clear: '" << s << "'" << std::endl;
    return 0;
}

reserve(size_t res_arg=0)：为字符串预留空间，不改变有效字符个数。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s;
    s.reserve(100);
    std::cout << "Reserved capacity: " << s.capacity() << std::endl;
    return 0;
}

resize(size_t n) / resize(size_t n, char c)：将有效字符个数改为 n，多出的空间用字符 c 填充。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    s.resize(10, 'x');
    std::cout << "Resized string: " << s << std::endl;
    return 0;
}
访问及遍历操作

operator[]：返回指定位置的字符。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    std::cout << "Character at index 1: " << s[1] << std::endl;
    return 0;
}

begin() / end()：返回字符串的起始迭代器和结束迭代器。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

rbegin() / rend()：返回反向迭代器。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    for (auto it = s.rbegin(); it != s.rend(); ++it) {
        std::cout << *it << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

范围 for 循环：C++11 引入的简洁遍历方式。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    for (char c : s) {
        std::cout << c << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}
修改操作

1.push_back(char c)：在字符串末尾添加字符 c。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    s.push_back('!');
    std::cout << s << std::endl;
    return 0;
}

2.append(const string& str)：在字符串末尾追加字符串 str。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    s.append(" World");
    std::cout << s << std::endl;
    return 0;
}

3.operator+=：在字符串末尾追加字符串。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    s += " World";
    std::cout << s << std::endl;
    return 0;
}

4.c_str()：返回 C 风格字符串。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    const char* c_str = s.c_str();
    std::cout << c_str << std::endl;
    return 0;
}

5.find(char c, size_t pos=0)：从指定位置开始查找字符 c。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    size_t pos = s.find('l');
    if (pos != std::string::npos) {
        std::cout << "Character 'l' found at position: " << pos << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Character not found" << std::endl;
    }
    return 0;
}

6.rfind(char c, size_t pos=npos)：从指定位置开始反向查找字符 c。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello";
    size_t pos = s.rfind('l');
    if (pos != std::string::npos) {
        std::cout << "Character 'l' found at position: " << pos << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Character not found" << std::endl;
    }
    return 0;
}

7.substr(size_t pos=0, size_t n=npos)：返回从指定位置开始的子字符串。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello, World!";
    std::string sub = s.substr(7, 5); // 从第7个位置开始，取5个字符
    std::cout << "Substring: " << sub << std::endl;
    return 0;
}
非成员函数

1.operator+：字符串拼接。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s1 = "Hello";
    std::string s2 = " World";
    std::string s3 = s1 + s2;
    std::cout << s3 << std::endl;
    return 0;
}

2.operator>>：输入运算符重载。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s;
    std::cout << "Enter a string: ";
    std::cin >> s; // 从输入读取字符串，遇到空格结束
    std::cout << "You entered: " << s << std::endl;
    return 0;
}

3.operator<<：输出运算符重载。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s = "Hello, World!";
    std::cout << s << std::endl; // 输出: Hello, World!
    return 0;
}

4.getline：读取一行字符串。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string line;
    std::cout << "Enter a line of text: ";
    std::getline(std::cin, line); // 从输入读取一行字符串
    std::cout << "You entered: " << line << std::endl;
    return 0;
}

5.关系运算符：字符串比较。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string s1 = "Hello";
    std::string s2 = "World";
    if (s1 < s2) {
        std::cout << s1 << " is less than " << s2 << std::endl;
    } else {
        std::cout << s1 << " is not less than " << s2 << std::endl;
    }
    return 0;
}

3. 扩展阅读

需要记住的知识点：

  1. string 类是 basic_string 模板类的实例。
  2. 提供丰富的接口，简化字符串操作。
  3. 内存管理由 string 类自动处理，避免了手动管理内存的复杂性和风险。

小李的理解 ： string 类让字符串操作变得简单而安全。通过理解 string 类的各种接口和功能，可以更高效地编写 C++ 程序。

示例代码

找字符串中第一个只出现一次的字符

#include <iostream>
#include <string>

class Solution {
public:
    int firstUniqChar(const std::string& s) {
        int count[256] = {0};
        for (char c : s) {
            count[c]++;
        }
        for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i) {
            if (count[s[i]] == 1) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }
};

int main() {
    Solution solution;
    std::string s = "leetcode";
    int index = solution.firstUniqChar(s);
    if (index != -1) {
        std::cout << "The first unique character is at index: " << index << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No unique character found" << std::endl;
    }
    return 0;
}

验证一个字符串是否是回文

#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>

class Solution {
public:
    bool isPalindrome(const std::string& s) {
        std::string filtered;
        for (char c : s) {
            if (isalnum(c)) {
                filtered += tolower(c);
            }
        }
        std::string reversed = filtered;
        std::reverse(reversed.begin(), reversed.end());
        return filtered == reversed;
    }
};

int main() {
    Solution solution;
    std::string s = "A man, a plan, a canal: Panama";
    bool result = solution.isPalindrome(s);
    if (result) {
        std::cout << "\"" << s << "\" is a palindrome" << std::endl;
    } else {
        std::cout << "\"" << s << "\" is not a palindrome" << std::endl;
    }
    return 0;
}

总结

1. 为什么要学习 string 类？

C 语言中的字符串

  • C 风格字符串是以 '\0' 结尾的字符数组，使用 char 类型数组表示。
  • C 库提供的字符串操作函数与字符串本身是分离的，需要手动管理内存，容易出错。

字符串转整形数字

  • 使用 std::stoi 函数可以方便地将字符串转换为整形数字。
  • std::stoi 在转换失败时会抛出异常，可以进行异常处理。

字符串相加

  • 使用 + 运算符和 append 方法可以轻松实现字符串拼接。
  • + 运算符适合拼接固定数量的字符串，append 方法适合在循环或复杂逻辑中使用。

2. 标准库中的 string 类

基本介绍

  • string 类表示字符序列，提供类似于标准容器的接口。
  • string 实际上是 basic_string<char, char_traits, allocator> 的实例，封装了字符串操作，提供方便的函数和自动内存管理。

常用接口

构造函数
  • string()：构造一个空的 string 对象。
  • string(const char* s)：用 C 风格字符串构造 string 对象。
  • string(size_t n, char c)：构造一个包含 n 个字符 c 的 string 对象。
  • string(const string& s)：拷贝构造函数，用另一个 string 对象构造新对象。
容量操作
  • size() / length()：返回字符串的有效字符长度。
  • capacity()：返回字符串的总容量。
  • empty()：检测字符串是否为空。
  • clear()：清空字符串中的有效字符。
  • reserve(size_t res_arg=0)：为字符串预留空间。
  • resize(size_t n) / resize(size_t n, char c)：将有效字符个数改为 n，多出的空间用字符 c 填充。
访问及遍历操作
  • operator[]：返回指定位置的字符。
  • begin() / end()：返回字符串的起始迭代器和结束迭代器。
  • rbegin() / rend()：返回反向迭代器。
  • 范围 for 循环：C++11 引入的简洁遍历方式。
修改操作
  • push_back(char c)：在字符串末尾添加字符 c。
  • append(const string& str)：在字符串末尾追加字符串 str。
  • operator+=：在字符串末尾追加字符串。
  • c_str()：返回 C 风格字符串。
  • find(char c, size_t pos=0)：从指定位置开始查找字符 c。
  • rfind(char c, size_t pos=npos)：从指定位置开始反向查找字符 c。
  • substr(size_t pos=0, size_t n=npos)：返回从指定位置开始的子字符串。
非成员函数
  • operator+：字符串拼接。
  • operator>>：输入运算符重载。
  • operator<<：输出运算符重载。
  • getline：读取一行字符串。
  • 关系运算符：字符串比较。

3. 扩展阅读

  • string 类是 basic_string 模板类的实例，提供丰富的接口，简化字符串操作。
  • 内存管理由 string 类自动处理，避免了手动管理内存的复杂性和风险。
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