c++初阶 string的底层实现

种时光的人2024-08-08 12:18

string

声明：非纯手搓，运用到了部分c语言的函数

首先可以明确的是string的底层结构是字符串数组，但是由于字符串数组中是使用\0来终止的，因此他实际的存储空间是要比显示的多一个的。

更多详细内容可以去c++官网查看 https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

代码如下：

基础函数成员

成员变量

cpp 复制代码 
private:
	char* _str;
	int _size;
	int _capacity;
	static const unsigned int npos = -1;

构造函数

cpp 复制代码 
第一种写法：分开写
string() :
	_str(new char[1]),//多开辟一个放\0
	_size(0),
	_capacity(0)
{
	_str[0] = '\0';
}
		
string(const char* str) :
	_str(new char[strlen(str) + 1]),
	_size(strlen(str)),
	_capacity(strlen(str))
{
	strcpy(_str, str);
}
		
第二种写法：全缺省，一个函数全包括了
string(const char* str = "") ://写成"\0"也可以
	_size(strlen(str))	
	{
		_capacity = _size;
		_str = new char[_size + 1];
		strcpy(_str, str);
	}

析构函数：

cpp 复制代码 
~string()
{
	delete[] _str;//注意别忘了这个方括号,要和申请空间时new格式相同
	_str = nullptr;
	_size = _capacity = 0;
}

拷贝构造

cpp 复制代码 
//传统写法
string(const string& s)//深拷贝
{
	_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函数的实现在后面了

}

赋值构造

cpp 复制代码 
//传统写法
string& operator=(const string& s) // 赋值构造
{
	char* tmp = new char[s._capacity + 1];
	strcpy(tmp, s._str);
	delete[] _str;		//原空间不要了
	_str = tmp;
	_size = s._size;
	_capacity = s._capacity;
	return *this;
}

//现代写法,本质区别是是用现成的还是自己再做一遍
string& operator=(const string& s)
{
	string tmp(s);
	swap(tmp);
	return *this;
}
//更简洁的版本
string& operator=(string s)
{
	swap(tmp);
	return *this;
}

遍历

下标访问

cpp 复制代码 
inline char& operator[](int pos)
 //下标引用是可读可写的，所以返回类型是char引用
 // 因为在使用时会多次调用并且函数的体量小，所以可以使用内联函数进行优化
{
	assert(pos < _size); //检查是否越界
	return _str[pos];
}

inline const char& operator[](int pos) const
// 再写一个是为了应对const string的情况,这种情况可读不可写
{
	assert(pos < _size); 
	return _str[pos];
}

迭代器

这里的迭代器用的指针进行模拟，事实上g++也用的这种模式，但他真实的情况却要复杂的多。

cpp 复制代码 
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
	return _str;
}
iterator end()
{
	return _str + _size;
}

//这种方式可以使用范围for来进行访问既:for (auto i : s)的形式，具体将不再演示
//范围for的本质是替代，只要你定义的有begin,end,和itrator 他就可以运行  注：它最早起源于python

增删插

开辟空间

cpp 复制代码 
void reserve(int n)
{
	if (n > _capacity)
	{
		char* tmp = new char[n + 1]; // 注意要多开辟一个放\0
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = n;
		//开辟新空间，替换空间内容，释放原空间，改变原空间指向
	}
}

push_back

cpp 复制代码 
void push_back(char ch)
{
	if (_size == _capacity)
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); //注意要判断空间为0的情况
	_str[_size] = ch;
	++_size;
	_str[_size] = '\0'; // 小细节

}

append

cpp 复制代码 
void append(const char* str)//它有很多重载，这里只写这一种
{
	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
		reserve(_size + len);   // 较为保险的扩容方式，思考一下为什么不单纯的扩二倍？
	strcpy(_str + _size, str);  // strcat效率较低，因此用strcpy
	_size += len;
}

+=

cpp 复制代码 
string& operator+= (char ch)
{
	push_back(ch);
	return *this;
}
string& operator+= (const char* s)
{
	append(s);
	return *this;
}
//没什么好说的就是调用之前的函数

insert

cpp 复制代码 
void insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	if (_size == _capacity)
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); 
		
	int end = _size;
	while (end >= (int)pos)
	{
		_str[end + 1] = _str[end];
		end--;
	}
	//整体往后挪一位，没什么技术含量
	
	_str[pos] = ch;
	_size++;
}

void insert(size_t pos, const char* str)//插入字符串
{
	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
		reserve(_size + len);

	for (int i = pos; i < len + pos; i++)
	{
		if (i < _size)  // 避免多搬运数据导致超出内存
			_str[i + len] = _str[i];
		_str[i] = str[i - pos];
	}
	_size += len;
	_str[_size] = '\0';
}

erase

cpp 复制代码 
void erase(size_t pos, int len = npos)
{
	assert(pos < _size);
	if (len == npos || len > _size - pos) // 写成len + pos 的形式有溢出风险
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
		_size -= len;
	}
}

功能函数

swap

cpp 复制代码 
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);//这里std::必须要加上的，避免调用到的函数是写的这个;
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//直接使用swap(s1, s2)的话效率要低一些

find

cpp 复制代码 
//查字符
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
	assert(pos < _size);
	for (int i = pos; i < _size; i++)
	{
		if (_str[i] == ch)
			return i;
	}
	return npos;
}
//查子串
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
{
	assert(pos < _size);//可以用kmp/bm算法优化一下
	char* p = strstr(_str + pos, str);

	if (p)
		return p - _str;
	else
		return npos;
}

c_str

cpp 复制代码 
//(函数作用是以c语言可以接受的形式返回字符串,方便向c的部分函数兼容)
char* c_str() const
{
	return _str;
}

substr

cpp 复制代码 
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
	string sub;
	for (int i = 0; i < _size && i < pos + len; i++)
		sub += _str[i];
	return sub;
}

clear

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

其他函数

比较函数

cpp 复制代码 
bool operator==(const string& a, const string& b)//得写成全局变量,在类里面定义的==只能写一个参数
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret == 0;
}
bool operator<=(const string& a, const string& b)
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret >= 0;
}
bool operator>=(const string& a, const string& b)
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret <= 0;
}
bool operator>(const string& a, const string& b)
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret < 0;
}
bool operator<(const string& a, const string& b)
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret > 0;
}
bool operator!=(const string& a, const string& b)
{
	int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
	return ret != 0;
}

流提取<<

cpp 复制代码 
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	for (auto i : s)
		out << i;
	return out;
}

流插入>>

cpp 复制代码 
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	// 不可以直接使用cin因为他会自动跳过空格和换行
	//cin.get()相当于c语言中的getchar()
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		s += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}
//优化版本，上面的版本存在多次扩容消耗更大的问题
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	int i = 0;
	char buff[128];

	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[i++] = ch;
		if (i == 127)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
			i = 0;
		}
		ch = in.get();
	}
	if (ch > 0)
	{
		buff[i] = '\0';
		s += buff;
	}
	return in;
}

getline

cpp 复制代码 
//比流插入就少了一个比较
istream& getline(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	char ch;
	ch = in.get();

	while (ch != '\n')
	{
		s += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

完整版

cpp 复制代码 
#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>

using namespace std;

namespace bit
{
	class string {
	public:
		//string() :
		//	_str(new char[1]),//多开辟一个放\0
		//	_size(0),
		//	_capacity(0)
		//{
		//	_str[0] = '\0';
		//}
		//string(const char* str) :
		//	_str(new char[strlen(str) + 1]),
		//	_size(strlen(str)),
		//	_capacity(strlen(str))
		//{
		//	strcpy(_str, str);
		//}
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

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


		string(const char* str = "") ://写成"\0"也可以
			_size(strlen(str))
		{
			_capacity = _size;
			_str = new char[_size + 1];
			strcpy(_str, str);
		}

		//string(const string& s)//深拷贝
		//{
		//	_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);

		}

		string& operator=(const string& s)
		{
			char* tmp = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(tmp, s._str);
			delete[] _str;
			_str = tmp;
			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
			return *this;
		}
		//string& operator=(const string& s)
		//{
		//	string tmp(s);
		//	swap(tmp);
		// 	return *this;
		//}

		~string()
		{
			delete[] _str;//注意别忘了这个方括号,要和申请空间时new格式相同
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

		size_t size() const//加个const使其调用时无法再修改
		{
			return _size;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}

		inline char& operator[](int pos) //下标引用是可读可写的，所以返回类型是char引用
		{
			assert(pos < _size); //检查是否越界
			return _str[pos];
		}

		inline const char& operator[](int pos) const
			// 再写一个是为了应对const string的情况,这种情况可读不可写
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		void reserve(int n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1]; // 注意要多开辟一个放\0
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
				//开辟新空间，替换空间内容，释放原空间，改变原空间指向
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); //注意要判断空间为0的情况
			_str[_size] = ch;
			++_size;
			_str[_size] = '\0'; // 小细节
			
		}

		void append(const char* str)//它有很多重载，这里只写这一种
		{
			int len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
				reserve(_size + len);   // 较为保险的扩容方式，思考一下为什么不单纯的扩二倍？
			strcpy(_str + _size, str);  // strcat效率较低，因此用strcpy
			_size += len;
		}

		string& operator+= (char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		string& operator+= (const char* s)
		{
			append(s);
			return *this;
		}

		void insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity); 
			int end = _size;
			while (end >= (int)pos)
			{
				_str[end + 1] = _str[end];
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}

		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			int len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
				reserve(_size + len);

			for (int i = pos; i < len + pos; i++)
			{
				if (i < _size)  // 避免多搬运数据导致超出内存
					_str[i + len] = _str[i];
				_str[i] = str[i - pos];
			}
			_size += len;
			_str[_size] = '\0';
		}

		void erase(size_t pos, int len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || len > _size - pos) // 写成len + pos 的形式有溢出风险
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}

		void resize(int n, char ch = '\0')
		{
			//resize两个功能，比size大时增加内容，反之则删除到n的大小;
			if (n >= _size)
			{
				reserve(n);
				for (int i = _size; i < n; i++)
				{
					_str[i] = ch;
				}
				_size = n;
				_str[_size] = '\0';
			}
			else
			{
				_str[n] = '\0';
				_size = n;
			}
		}

		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);//这里std::必须要加上的，避免调用到的函数是写的这个;
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		void swap(string& a, string& b)
		{
			a.swap(b);
		}

		size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			for (int i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
					return i;
			}
			return npos;
		}
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);//可以用kmp/bm算法优化一下
			char* p = strstr(_str + pos, str);

			if (p)
				return p - _str;
			else
				return npos;
		}

		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
		{
			string sub;
			for (int i = 0; i < _size && i < pos + len; i++)
				sub += _str[i];
			return sub;
		}

		char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[0] = '\0';
		}
	private:
		char* _str;
		int _size;
		int _capacity;
		static const unsigned int npos = -1;
	};

	bool operator==(const string& a, const string& b)//得写成全局变量,在类里面只能写一个参数
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret == 0;
	}
	bool operator<=(const string& a, const string& b)
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret >= 0;
	}
	bool operator>=(const string& a, const string& b)
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret <= 0;
	}
	bool operator>(const string& a, const string& b)
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret < 0;
	}
	bool operator<(const string& a, const string& b)
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret > 0;
	}
	bool operator!=(const string& a, const string& b)
	{
		int ret = strcmp(a.c_str(), b.c_str());
		return ret != 0;
	}

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		for (auto i : s)
			out << i;
		return out;
	}
	//istream& operator>>(istream& in, string& s)
	//{
	//	s.clear();
	//	char ch;
	//	ch = in.get();
	//	// 不可以直接使用cin因为他会自动跳过空格和换行
	//	//cin.get()相当于c语言中的getchar()
	//	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	//	{
	//		s += ch;
	//		ch = in.get();
	//	}
	//	return in;
	//}

	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char ch;
		ch = in.get();
		int i = 0;
		char buff[128];

		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[i] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;
			}
			ch = in.get();
		}
		if (ch > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}

	istream& getline(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char ch;
		ch = in.get();

		while (ch != '\n')
		{
			s += ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}

};
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