深度剖析C++string(上篇）

禁默2024-08-26 10:03

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前言

[1.C++ string类](#1.C++ string类)

2.string类中的常见构造

3.string类对象的容量操作

[4.. string类对象的访问及遍历操作](#4.. string类对象的访问及遍历操作)

[5. auto和范围for(补充）](#5. auto和范围for(补充）)

auto关键字

范围for

结束语

前言

C语言我们学习了字符串和字符串的相关函数，在C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。今天我们将正式步入C++ string类的学习。

1.C++ string类

C++中的string类是STL的一个重要组成部分，它提供了对字符串的封装和处理功能。

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

下面是参考的官方链接

http://www.cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

接下来，我们将进一步学习string类。

2.string类中的常见构造

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
	string s1;
	string s2("hello world");
	string s3(6, 'x');
	string s4(s3);
	cout << s1 << endl;
	cout << s2 << endl;
	cout << s3 << endl;
	cout << s4 << endl;
	return 0;
}

3.string类对象的容量操作

函数名称功能说明

size（重点）返回字符串有效字符长度

length 返回字符串有效字符长度

capacity返回空间总大

cpp 复制代码 
void string1() {
	string s("I love you!!!");
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.length() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

在C++的string类中，size()和length()成员函数返回的是字符串中字符的数量，不包括结尾的空字符（\0），因为string类内部管理内存时会自动在字符串末尾添加一个空字符，但这个空字符不计入字符串的长度。

capacity()成员函数返回的是字符串当前分配的内存能够容纳的字符数量，这个值通常大于或等于size()的返回值，以容纳未来可能的字符添加操作，而不会立即触发重新分配内存。

empty （重点）检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false

clear （重点）清空有效字符

reserve （重点）为字符串预留空间**

resize （重点）将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充

cpp 复制代码 
void string1() {
	string s("I love you!!!");
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.length() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
	// 使用empty()检查字符串是否为空
	if (s.empty()) {
		cout << "s is empty." << endl;
	}
	else {
		cout << "s is not empty." << endl;
	}
	//s.clear();
	//cout << s.size() << endl;
	///cout << s.capacity() << endl;
	//cout << s << endl;
	s.resize(18, 'a');
	//s.resize(6);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;

}

可根据自己的需求自行更改代码。不难发现capacity 的大小会根据字符串的大小变化可能进行相应的变化，变化情况见上capacity的介绍。linux下gcc和VS的capacity变化规则是略有不同的，大家可以下去尝试下。

cpp 复制代码 
void string2()
{
	string s;
	// 测试reserve是否会改变string中有效元素个数
	s.reserve(100);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;

	// 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小
	s.reserve(50);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl; //输出原来值或更大，不会缩小
}
cpp 复制代码 
void TestPushBack() {
	string s;
	size_t sz = s.capacity();
	cout << "capacity: " << sz << '\n';
	cout << "making s grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

当把\0加上时，我们会发现刚开始的变化是2倍，后面是1.5倍，这是VS自己规定的变化规则，刚开始会默认开设一个大小为16字节的数组，后面变化的空间是在堆上的。

而gcc运行此代码都是2倍的变化。

注意：

  1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接 口保持一致，一般情况下基本都是用size()。

  2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。

  3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。

  4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

vs和g++下string结构的说明（了解），小编也没有理解的通透。

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。

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

union _Bxty { // storage for small buffer or pointer to larger one

value_type _Buf[_BUF_SIZE];

pointer _Ptr;

char _Alias[_BUF_SIZE];

// to permit aliasing } _Bx;

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。

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

4.. string类对象的访问及遍历操作

【】既可以访问字符又可以修改字符，非常的方便。

cpp 复制代码 
void string3() {
	string s1("I love you");
	// 获取begin和end迭代器
	std::string::iterator it = s1.begin();
	std::string::iterator it_end = s1.end();
	cout << s1[3] << endl;
	s1[1] = 'u';
	cout << s1 << endl;
	cout << *it << endl; // 输出 I，因为it指向第一个字符
	cout << *(it_end-1) << endl;
	}

上面是正向迭代器的使用，还有一个反向迭代器

cpp 复制代码 
std::string::reverse_iterator it = s1.rbegin();
std::string::reverse_iterator it_end = s1.rend();

接下来我们通过迭代器来实现字符串的遍历

cpp 复制代码 
void string4() {
	string s("I love you!");
	// 获取begin和end迭代器
	string::iterator it = s.begin();
	string::reverse_iterator it1 = s.rbegin();
	while (it != s.end()) {
		cout << *it << " " ;
		++it;
	}
	cout << '\n';
	while (it1 != s.rend()) {
		cout << *it1 << " " ;
		++it1; // 移动到下一个字符（实际上是前一个字符）
	}
	
}

C++11之后，直接使用auto定义迭代器，让编译器推到迭代器的类型

cpp 复制代码 
void string4() {
	string s("I love you!");
	
	// 获取begin和end迭代器
	//string::iterator it = s.begin();
	auto it = s.begin();
	//string::reverse_iterator it1 = s.rbegin();
	auto it1 = s.rbegin();
	while (it != s.end()) {
		cout << *it << " " ;
		++it;
	}
	cout << '\n';
	while (it1 != s.rend()) {
		cout << *it1 << " " ;
		++it1; // 移动到下一个字符（实际上是前一个字符）
	}
}

范围for

cpp 复制代码 
	for (auto ch : s){
		cout << ch << endl;
}

5. auto和范围for(补充）

auto关键字

在这里补充2个C++11的小语法。

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量 ，后来这个 不重要了。C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型 指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期 推导而得。

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际 只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用

auto不能直接用来声明数组

// 编译报错：error C3538: 在声明符列表中，"auto"必须始终推导为同一类型
auto cc = 3, dd = 4.0;
// 编译报错：error C3318: "auto []": 数组不能具有其中包含"auto"的元素类型
auto array[] = { 4, 5, 6 };

cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int func1()
{
	return 10;
}
// 不能做参数
void func2(auto a)
{}
// 可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto func3()
{
	return 3;
}
int main() {
	return 0;
}
cpp 复制代码 
#include <iostream>
using namespace std;
int func1()
{
	return 10;
}

int main() {
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = func1();
	// 编译报错:rror C3531: "e": 类型包含"auto"的符号必须具有初始值设定项
	//auto e;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
	int x = 10;
	auto y = &x;
	auto* z = &x;
	auto& m = x;
	cout << typeid(x).name() << endl;
	cout << typeid(y).name() << endl;
	cout << typeid(z).name() << endl;
	return 0;
}

其实对于auto的真正常用的用法是用于迭代器方面，让编译器自己推导迭代器类型，对于复杂的迭代器类型可以简化代码。

下面展示的代码为扩展，别处拷贝过来。

cpp 复制代码 
#include<iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
int main()
{
	std::map<std::string, std::string> dict = { { "apple", "苹果" },{ "orange",
   "橙子" }, {"pear","梨"} };
	// auto的用武之地
   //std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();
	auto it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
		return 0;
}

std::map<std::string, std::string> dict = { { "apple", "苹果" },{ "orange", "橙子" }, {"pear","梨"} };：定义一个std::map对象dict，它包含三个键值对，键是std::string类型的字符串，值也是std::string类型的字符串。

范围for

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此 C++11中引入了基于范围的for循环。

for循环后的括号由冒号" ："分为两部分：第一部分是范围 内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。

范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历

范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器，这个从汇编层也可以看到。

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
	int arr[] = { 1,2,3,4,5 };
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++) {
		arr[i] *= 2;
	}
	for (int i = 0; i < sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); i++) {
		cout << arr[i] << endl;
	}
	// C++11的遍历
	for (auto &e : arr) {
		e *= 2;
	}
	for (auto e : arr) {
		cout << e << endl;
	}
	string s("hello world!");
	for (auto it : s) {
		cout << it << " " ;
	}
	return 0;
}

结束语

本期讲解就到此结束了，下节我们将继续扩展string的其他接口和函数。

最后感谢各位友友的支持，友友们点个赞吧！！！

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