【C++标准库】模拟实现string类（深浅拷贝问题）

清风~徐~来2024-08-01 13:55

模拟实现string类

一.命名空间与类成员变量

根据string的结构，显然可知string实质就是字符数组，但有一点区别就是，string可以扩容，再类比动态顺序表，就不难得出string的成员变量。在模拟实现string时，为了与C++标准库中的string作区分，可以给定命名空间。

成员变量：

  1. char* str：指向string第一个字符的指针。
  2. size_t size：string中有效数据的个数。
  3. size_t capacity：string可以存放有效数据的容量。
  4. static const size_t npos：静态成员。

大体结构如下：

cpp 复制代码 
namespace xzy
{
	class string
	{
	private:
		char* _str = nullptr;
		size_t _size = 0;
		size_t _capacity = 0;

		static const size_t npos; //静态成员类内声明
	};
	const size_t string::npos = -1; //类外初始化
}

二.构造函数

cpp 复制代码 
class string
{
public:
	string()
		:_str(nullptr)
		,_size(0)
		,_capacity(0)
	{}
	
	string(const char* str)
		:_size(strlen(str))
		, _capacity(_size)
		,_str(new char[_capacity + 1])
	{}
	
	const char* c_str() const
	{
		return _str;
	}
	
private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};


  1. 第一种由于将_str初始化为nullptr，通过C语言中的返回_str直到遇到'\0'停止打印字符串的方法，而_str为nullptr，打印nullptr导致程序崩溃。
  2. 第二种看似程序正常但真的是正确的吗？其实：初始化列表出现的顺序，并不是初始化的顺序，而是按照成员变量声明的顺序初始化成员变量，先初始化_str，而_capacity是随机值，导致开辟的空间不确定，导致出现错误。

正确的方法如下：

1.无参（默认）构造

由于string默认含有'\0'，可以提前开辟一个'\0'，而'\0'不是有效的数据，也不算入容量之中。

cpp 复制代码 
string()
	:_str(new char[1]{'\0'})
	, _size(0)
	, _capacity(0)
{}

2.有参构造

注意：容量中不包含'\0'，而string中有包含'\0'，所以在开辟空间时要加上一个'\0'的空间。

cpp 复制代码 
string(const char* str)
{
	_size = strlen(str);
	_capacity = _size;
	_str = new char[_capacity + 1];
	strcpy(_str, str);
}

3.兼容无参和有参构造

cpp 复制代码 
string(const char* str = "")
{
	_size = strlen(str);
	_capacity = _size;
	_str = new char[_capacity + 1];
	strcpy(_str, str);
}
  1. 不传参时：用缺省值，str为空的常量字符串，strlen(str)为0，且sizeof(str)为1，含有一个隐藏的'\0'，刚好满足无参构造。
  2. 传参时：就用实参，满足有参构造。

4.拷贝构造

cpp 复制代码 
string(const string& str)
{
	_str = str._str;
	_size = str._size;
	_capacity = str._capacity;
}
int main()
{
	xzy::string s1;
	xzy::string s2(s1);

	return 0;
}

分析：当我们未提供拷贝构造时，编译器会提供拷贝构造，进行简单的值拷贝（浅拷贝），正如以上代码。但是存在很大的漏洞，s1的_str与s2的_str指向堆区同一块空间，程序结束时分别调用各自的析构函数，从而对同一块空间释放两次，这是未定义行为，导致程序崩溃。

1.传统写法

思路：先开空间，再利用strcpy拷贝，最后修改有效数据大小与容量。

cpp 复制代码 
string(const string& str)
{
	_str = new char[str._capacity + 1];
	strcpy(_str, str._str);
	_size = str._size;
	_capacity = str._capacity;
}

2.现代写法

构造一个临时对象，进行交换。

cpp 复制代码 
void swap(string& str)
{
	std::swap(_str, str._str);
	std::swap(_size, str._size);
	std::swap(_capacity, str._capacity);
}

string(const string& str)
{
	string tmp(str._str);
	swap(tmp);
}

注意：由于没有初始化列表，不确定s2_str被初始化为nullptr，取决于编译器，可以在类成员变量声明时加上缺省值，确保s2.str为nullptr，而避免s2._str为随机值，交换给tmp变成野指针，函数结束时tmp调用析构函数释放不合法的空间导致程序崩溃。

cpp 复制代码 
class string
{
private:
	char* _str = nullptr;
	size_t _size = 0;
	size_t _capacity = 0;
};

三.析构函数

_str是在堆区开辟的空间，要用delete[]释放空间，否则造成内存泄漏。

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

四.string类对象的容量操作

1.size

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

2.capacity

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

3.clear

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

4.empty

判断有效数据是否为0即可。

cpp 复制代码 
bool empty()
{
	return _size == 0;
}

5.reserve

扩容时：先开辟新空间，千万记得多开一个空间保存'\0'，再将旧空间拷贝到空间，释放旧空间，修改_str指向新空间，最后修改容量。学了C++，new就取代realloc了。

cpp 复制代码 
void reserve(size_t n)
{
	if (n > _capacity)
	{
		char* tmp = new char[n + 1];
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = n;
	}
}

6.resize

修改有效数据的个数时：先比较修改后的有效数据与原有数据的大小，若小于则修改_size，若大于再比较容量与修改后的有效数据的大小，判断是否扩容，利用memset函数初始化。

cpp 复制代码 
void string::resize(size_t n, char c)
{
	if (n > _size)
	{
		// 如果newSize大于底层空间大小，则需要重新开辟空间
		if (n > _capacity)
		{
			reserve(n);
		}
		memset(_str + _size, c, n - _size);
	}
	_size = n;
	_str[n] = '\0';
}

五.string类对象的访问及遍历操作

1.operator[]

cpp 复制代码 
char& operator[](int pos)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	return _str[pos];
}

const char& operator[](int pos) const
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	return _str[pos];
}

  1. 提供两个版本的operator[]：普通重载[]与const修饰的重载[]。若初始化一个常量字符串时：const string s("123"); 由于存在权放大问题，就无法调用普通重载[]，而const修饰的重载[]就可以使用。

  2. 重载operator[]，本质就是函数重载，而函数的返回值是不支持函数重载条件的，为了让两个operator[]满足函数重载的条件，可以const随便修饰一个成员函数。隐藏了this指针，实际const修饰的是this所指的对象。

  3. 第一个函数的参数列表的第一个位置隐藏了string* const this；第二个函数的参数列表的第一个位置隐藏了const string* const this；函数的参数不同就满足了函数重载的条件，可以共存。

2.实现迭代器：begin+end

cpp 复制代码 
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;
}

为了与标准库里的类似，重定义char* 为iterator。同理提供两个版本的迭代器iterator与const_iterator。

六.string类对象的增删查改操作

1.operator=

注意：operator=只能写成成员函数，不能写成成员函数。

1.传统写法

与传统写法的拷贝构造类似。

cpp 复制代码 
string& operator=(const string& str)
{
	if (this != &str)
	{
		delete[] _str;
		
		_str = new char[str._capacity + 1];
		strcpy(_str, str._str);
		_size = str._size;
		_capacity = str._capacity;
	}
	return *this;
}

注意：如果没写 if (this != &str) 自己给自己赋值时，delete[] _str 后_str为野指针，自己给自己拷贝程序崩溃。

2.现代写法

与现代写法的拷贝构造类似。

cpp 复制代码 
string& operator=(const string& str)
{
	if (this != &str)
	{
		//string tmp(str.c_str()); //调用构造
		string tmp(str); //调用拷贝构造
		swap(tmp); //刚好函数结束时，tmp将赋值前的空间释放，相当的完美
	}
	return *this;
}

//更完美的方法：一行搞定
string& operator=(string tmp)
{
	swap(tmp);

	return *this;
}

2.push_back

尾插时：先检查容量，再进行尾插。注意：最后要补上'\0'。

cpp 复制代码 
void push_back(char ch)
{
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
	}
	_str[_size] = ch;
	++_size;
	_str[_size] = '\0';
}

3.append

追加时：先要判断容量是否大于有效数据+所追加的字符串大小。若小于则无需扩容；若大于两倍则需要多少就扩容多少；小于两倍就按照两倍扩容。最后拷贝字符串即可。

cpp 复制代码 
void append(const char* str)
{
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
	}
	strcpy(_str + _size, str);
	_size += len;
}

4.operator+=

  1. +=一个字符：直接调用push_back即可。
cpp 复制代码 
string& operator+=(char ch)
{
	push_back(ch);
	return *this;
}
  1. +=一个字符串：直接调用append即可。
cpp 复制代码 
string& operator+=(const char* str)
{
	append(str);
	return *this;
}

5.insert

  1. 插入一个字符：先检查容量，再整体往后挪动一位，最后插入即可。

但是存在一些坑如下：

  • 当在pos=0位置插入字符时：end=0时进入循环，- -end，由于end类型为无符号整形size_t，则end不是-1而是一个非常大的值，进入死循环。
  • 就算将end修改为int ，循环条件end>=pos时，两边类型不同会进行算数转换，int转换成size_t，end转换成size_t类型，依旧进入死循环。

正确写法：

cpp 复制代码 
void insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos >= 0 && pos <= _size);
	
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
	}

    //第一种：强转size_t为int
	//int end = _size;
	//while (end >= (int)pos)
	//{
	//	  _str[end + 1] = _str[end];
	//	  --end;
	//}
	//_str[pos] = ch;
	//++_size;

	//推荐这种：end始终大于0
	size_t end = _size + 1;
	while (end > pos)
	{
		_str[end] = _str[end - 1];
		--end;
	}
	_str[pos] = ch;
	++_size;
}
  1. 插入一个字符串：先检查容量，再整体往后挪动为插入的字符串预留空间，最后插入字符串即可。
cpp 复制代码 
void insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos >= 0 && pos <= _size);

	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
	}
	//整体后移
	//memmove(_str + len, _str, sizeof(char) * len);
	size_t end = _size + len;
	while (end > pos + len - 1)
	{
		_str[end] = _str[end - len];
		--end;
	}
	//插入字符串
	for (size_t i = 0; i < len; i++)
	{
		_str[pos + i] = str[i];
	}
	_size += len;
}

6.erase

删除时：比较要删除的子串长度与pos及其以后字符串的的大小，判断是否pos及其以后得字符全删除。

cpp 复制代码 
void erase(size_t pos, size_t len = npos
)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);

	if (len >= _size - pos)
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		//memmove(_str + pos, _str + pos + len, sizeof(char) * (_size - pos - len + 1));
		for (size_t i = pos; i <= _size - len; i++)
		{
			_str[i] = _str[i + len];
		}
		_size -= len;
	}
}

7.find

  1. 查找字符：找到返回下标，未找到返回npos。
cpp 复制代码 
size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);

	for (size_t i = 0; i < _size; i++)
	{
		if (_str[i] == ch)
		{
			return i;
		}
	}
	return npos;
}
  1. 查找字符串：利用C语言接口strstr查找子串函数，找到返回下标，未找到返回npos。
cpp 复制代码 
size_t find(const char* str, size_t pos = 0)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	
	const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
	if (ptr == nullptr)
	{
		return npos;
	}
	else
	{
		return ptr - _str;
	}
}

8.substr

返回子串：比较要返回子串长度与pos及其以后字符串的的大小，判断是否pos及其以后得字符全返回。

注意：深浅拷贝问题；由于是返回局部string，而局部string出函数被销毁。此时会拷贝构造一个临时string作为返回，而默认的拷贝构造是浅拷贝（简单的值拷贝），局部string销毁时，临时变量string中的_str变成野指针，外面又拷贝构造接收该临时string，本身就是无效的string，程序结束前调用析构函数释放空间，重复的delete导致程序崩溃。解决方法：自己写一个深拷贝构造。

cpp 复制代码 
string substr(size_t pos = 0, size_t len)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);

	if (len > _size - pos)
	{
		len = _size - pos;
	}

	string sub;
	sub.reserve(len);
	for (size_t i = 0; i < len; i++)
	{
		sub += _str[pos + i];
	}
	return sub;
}

9.c_str

返回字符串首字符的地址：用于调用C语言接口，例如strcpy，memmove等。

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

10.swap

调用std::swap进行对象（值）交换。

cpp 复制代码 
void swap(string& str)
{
	std::swap(_str, str._str);
	std::swap(_size, str._size);
	std::swap(_capacity, str._capacity);
}

七.非成员函数

1.string比较函数

只需要利用strcmp函数比较，实现两个函数，就可以调用实现多个函数。

cpp 复制代码 
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
	return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}

bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
	return !(s1 <= s2);
}

bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
	return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}

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);
}

2.流插入与流提取

在C++中，屏幕和键盘分别通过标准输出流（std::cout）和标准输入流（std::cin）来实现数据的流插入（输出）和流提取（输入）。以下是针对屏幕（输出）和键盘（输入）的流插入与流提取的详细介绍：

  1. 屏幕（输出）与流插入（operator<<）：流插入（operator<<）用于将数据发送到输出流中，在C++中，标准输出流std::cout是与屏幕（通常是控制台或命令行界面）相关联的。当你使用<<操作符将数据发送到std::cout时，数据会被格式化（如果需要的话）并显示在屏幕上。
  2. 键盘（输入）与流提取（operator>>）：流提取（operator>>）用于从输入流中读取数据，在C++中，标准输入流std::cin是与键盘（或任何标准输入设备）相关联的。当你使用>>操作符从std::cin中读取数据时，它会从键盘获取输入，并根据需要将其存储在提供的变量中。

注意：

  1. 流插入与流提取不推荐写成成员函数，例如ostream& operator<<(ostream& out); 因为<<左边是类对象，调用时要写成s<<out，非常别扭。
  2. 不需要写成友元函数，可以做到不用访问类内的私有成员，完成流插入与流提取。
cpp 复制代码 
ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
{
	/*string::const_iterator it = str.begin();
	while (it != str.end())
	{
		cout << *it;
		++it;
	}*/
	
	for (auto ch : str)
	{
		out << ch;
	}
	return out;
}
	
istream& operator>>(istream& in, string& str)
{
	str.clear();

	char ch;
	//in >> ch; //错误，ch不会提取空白字符，陷入死循环
	ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		str += ch;
		//in >> ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

注意：流提取cin默认跳过空白字符（不会读取空白字符），例如：空格、换行，可以用cin.get()函数从键盘获得空白字符，类似C语言中的getc()函数。

优化方法：减少扩容，临时存放到字符数组中，等到满了时，再+=到其中。

cpp 复制代码 
istream& operator>>(istream& in, string& str)
{
	str.clear();

	const int N = 256;
	char buff[N];
	int i = 0;

	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[i++] = ch;
		if (i == N - 1)
		{
			buff[i] = '\0';
			str += buff;
			i = 0;
		}
		ch = in.get();
	}

	if (i > 0)
	{
		buff[i] = '\0';
		str += buff;
	}
	return in;
}

3.getline

getline函数：可以读取含有空格的字符串，将'\n'作为分隔符。

cpp 复制代码 
istream& getline(istream& in, string& str)
{
	str.clear();
	
	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != '\n')
	{
		str += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

八.深浅拷贝问题

1.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。

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。

2.深拷贝

3.引用计数+写时拷贝

  1. 当浅拷贝时存在两个问题：析构多次+一个修改影响另一个。
  2. 引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。
  3. 写时拷贝：当需要修改其中一个对象的指针时，为了不影响其它对象，使用深拷贝。
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