C++：模拟实现string

做人不要太理性2024-09-28 23:43

目录

命名空间的使用

成员变量

构造函数

析构函数

拷贝构造函数

string里的swap函数

赋值运算符重载

迭代器

数组容量

size和capacity

empty

reserve

resize

增删查改

push_back

append

+=运算符重载

clear

insert

插入字符

插入字符串

erase

substr

[]运算符重载

find

c_str

关系运算符

重载流插入、流提取

命名空间的使用

为了防止和标准库中的string出现冲突，我们可以在一个命名空间模拟实现string。

cpp 复制代码 
​
namespace zh
{
    class string
    {

    };
}

​

成员变量

cpp 复制代码 
​namespace zh
{
    class string
 
    {
 
     private:
        char* _str;
        size_t _size;
        size_t _capacity;
 
        static const size_t npos;
    };
    const  size_t string::npos = -1;
}



​

​

​

​

string本质上就是一个可以动态扩容字符数组，所以我们用一个char*类型的指针来代表该数组 ，_size代表有效字符的个数 ，_capacity代表数组最多容纳有效字符的个数，npos代表一个很大的数（用法等下会提及）。

两个需要注意的点：

1.关于_cpacity的理解，_cpacity != 字符数组的大小。

我们都知道字符串是以'\0'为结束标记的，也要占用空间，而_capacity代表数组最多容纳有效字符的个数，'\0'不是有效字符，所以字符数组的大小是要比_capacity大（字符数组大小 == _capacity + 1） ，我们在写构造函数动态申请空间的时候，要开辟（_capacity + 1）个字节的空间。

2.有关nops的注意事项。

nops的类型是const size_t，是一个静态成员变量。我们都知道静态成员变量是不能在类成员变量声明里给缺省值的，因为静态成员变量不走初始化列表，要走声明定义分离。

但是对于对于静态的const size_t，是可以在类里给缺省值的，可以看做定义，如下。

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


	static const size_t npos = -1;  //static const可以这样干  ->编译器特殊处理，看作定义，double都不可以，int才可以.
	//static const size_t npos;  //静态的不能在类里面给缺省值，静态的值不走初始化列表，走声明定义分离
};

构造函数

构造函数我们实现无参构造和带参字符串构造，这两个构造函数可以合在一起。

cpp 复制代码 
//无参和有参数合并写成全缺省
string(const char* str = "") //"" 代表空字符串
{
	_size = strlen(str);
	//capacoty不包含\0
	_capacity = _size;
	_str = new char[_capacity + 1];  //空间要多开一个
	strcpy(_str, str);               //strcpy \0也会拷上 先拷贝再判断
}

析构函数

因为是动态开辟的资源，所以析构函数需要我们自己写，手动释放动态开辟的资源。

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

拷贝构造函数

对于成员变量含有指针 的，编译器自动生成的拷贝构造是浅拷贝(值的拷贝) ，也就是说两个string的_str的值是一样的，都指向同一块空间 ，那当我们析构这两个对象时就会发生报错，因为对同一块空间析构了两次。

string里的swap函数

所以我们要手动写拷贝构造函数来实现深拷贝，但是在此之前，我们先实现一个交换函数，用于交换两个string。

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

那为什么不能用标准库里面的交换函数，而要自己写？

我们看库里交换函数的具体代码：

标准库里的交换函数涉及拷贝构造和赋值重载，损耗大，不建议使用。

有了这个交换函数，我们的拷贝构造就有了两种写法。

传统写法

cpp 复制代码 
​
//拷贝构造
string(const string& str)
{
	//传统写法
    _str = new char[str._capacity + 1];   
	strcpy(_str, str._str);
	_size = str._size;
	_capacity = str._capacity;

}

​

先开辟和str一样大的空间，然后将str拷贝到_str，最后处理_size和_capacity。

新颖写法

cpp 复制代码 
//拷贝构造
string(const string& str)
{
    //新颖写法
	string tmp(str._str);
	swap(tmp);
}

先用str对象的_str指针构造一个临时对象tmp （调用构造函数），然后调用交换函数 交换待初始化的对象this和tmp对象，这样就完成了拷贝构造，tmp对象也不用我们多做处理，函数结束后会自动调用析构函数将其清理。

最后析构tmp的时候，由于交换后tmp._str指针可能是随机值从而导致程序崩溃 ，所以我们在成员变量声明时，要给上缺省值，让它们走初始化列表 ，确保程序不会崩溃**。**

赋值运算符重载

赋值重载也涉及深浅拷贝问题，编译器自动生成的赋值重载不能满足需求 ，所以我们要手动实现赋值重载。

赋值重载也有两种写法。

传统写法

cpp 复制代码 
​
//赋值重载 注意自己给自己赋值的情况
string& operator=(string& str)
{
	//传统写法
    if (this != &str)                     
	{
		delete[] _str;
		_str = new char[str._capacity + 1];
		strcpy(_str, str._str);
		_size = str._size;
		_capacity = str._capacity;
	}

	return *this;
}

​

先把delete掉原来的资源，然后开辟跟str一样大的空间 ，将str拷贝到_str ，处理_size和_capacity，最后返回*this。

注意：一定要释放原来的资源先，不然会造成内存泄漏。

新颖写法

cpp 复制代码 
​
//赋值重载 注意自己给自己赋值的情况
string& operator=(string str)
{
	//新颖写法
	swap(str);
	return *this;
}

​

相比较于传统写法，我们传入的参数是string对象，不是对象的引用，所以我们传参的时候是传值调用，传值调用会调用拷贝构造 ，所以函数里的str是一个临时string对象 ，然后我们交换this对象和str对象 就完成了赋值重载。

函数结束后str对象会调用析构函数完成清理工作。

迭代器

迭代器（Iterator）是一种设计模式，它提供了一种访问容器中元素的方法，而不需要暴露容器的内部结构。

string迭代器的使用

cpp 复制代码 
string s1("hello world");
string::iterator it = s1.begin();
while (it != s1.end())
{
    cout << *it << " ";
    it++;
}
cout << endl;

（begin()返回首字符的迭代器，end()返回字符数组最后一个有效字符的下一位置的迭代器，类比指针即可）

迭代器也是一种在string的类型，使用迭代器的方式类似于指针，所以我们实现的string类只需要对指针进行封装即可。

标准库里有正向迭代器和反向迭代器，我们这里只模拟实现正向迭代器。

我们模拟实现的迭代器也有两个版本，普通版本和const版本 ，类比于普通指针和const 指针，普通迭代器指向的元素既 允许读也允许写，而const迭代器指向的元素只允许读不允许写。

这两个版本的迭代器最好根据对象性质匹配使用，不然有可能触发权限放大导致编译不通过。

权限可以缩小，但不能放大。也就是const迭代器既可以接收const对象可以接收普通对象 ，但是普通迭代器只允许接收普通对象 ，接收const对象就是权限放大。

迭代器具体代码如下：

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;
}

注意对于const迭代器的begin()和end()必须在函数后面加const，否则不构成函数重载。而且普通this指针接收const对象触发权限放大。

数组容量

size和capacity

获取当前有效字符的个数 和最大容纳有效字符的个数。

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

size_t capacity() const
{
	return _capacity;
}

empty

判断字符数组是否为空（就是判断是否是空字符）。

cpp 复制代码 
        bool empty() const//不仅要被我们的普通对象调用，也要被我们的const对象调用，所以加const
        {
            return _size == 0;
        }

reserve

用于空间不足时的扩容函数。

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

开辟一块大小为n+1的空间，将字符串拷贝到新空间，释放原来的资源，处理_str和_capacity。

resize

控制有效数据个数

  1. 若n<_size，直接删除数据，将有效位置的下一位置赋值成'\0'，改变_size。
  2. 若_size<n<capacity，从原来的_size依次填写直至达到n个，最后一位置为'\0'，改变_size。
  3. 若n>capacity，我们只需要扩容+初始化即可。

情况2 3可以放在reserve函数中。

cpp 复制代码 
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
	if (n < _size)
	{
		_str[n] = '\0';
		_size = n;
	}
	else
	{
		reserve(n);
		for (int i = _size; i < n; i++)
		{
			_str[i] = ch;
		}
		_size = n;
		_str[_size] = '\0';

	}
}

增删查改

push_back

在字符串后面尾插一个字符 ，插入之前检查容量是否已满 ，满了的话就调用reserve函数扩容 ，最后记得在数组末尾补上一个'\0'。

cpp 复制代码 
void string::push_back(char ch)
{
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}

	_str[_size++] = ch;
	_str[_size] = '\0';
}

append

在字符串后面添加一段新字符串 ，添加之前要判满，满了就扩容 ，记得在数组末尾补**'\0'。**

cpp 复制代码 
void string::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;
}

先计算出新字符串的长度len，若_size + len大于2倍_capacity，扩成_size + len大小，若小于则扩成2倍_capacity大小。

这种方式的可以在一定程度上减少扩容的次数。

+=运算符重载

对于string类，我们可以**+=一个字符或者一段字符串**，所以这个函数会构成函数重载。

+=可以复用push_back函数和append函数。

cpp 复制代码 
string& string::operator+=(char ch) 
{
	push_back(ch);
	return *this; //注意我们的+=需要返回+=后的值
}

string& string::operator+=(const char* str)
{
	append(str);
	return *this;
}

clear

请空字符串，将首元素位置赋值为'\0'，将_size置为0即可。

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

insert

insert分为两种，一种是在pos位置插入字符ch，一种是在pos插入一段新字符串。

插入字符

先来个错误示范

当pos为0时，程序就会挂掉，因为end是int类型 ，pos是size_t类型 ，在C/C++中，两个类型不一致的数发生比较会发生隐式类型转换，有符号的会被转换成无符号的 ，我们希望end到-1时结束循环 ，但是end被转换成无符号 的，-1就是INT_MAX ，循环永远结束不了。

有两种解决方法，一是把pos强转成int，二是在实参那里修改pos的类型为int。

也可以改成下面的写法：

cpp 复制代码 
void string::insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);    //判断pos是否越界
	if (_size == _capacity)  //插入前先判断容量大小，满了就扩容
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}


    size_t end = _size + 1;                   //从'\0'开始挪动，这里的end是'\0'的下一位置
	while (end > pos)            //pos必须强转，防止end类型转换成size_t，循环条件就永远成立了
	{
		_str[end] = _str[end - 1];
		--end;
	}

	_str[pos] = ch;
	_size++;
}

插入完毕后记得让_size++；

插入字符串

先计算出新插入字符串的长度len ，判断_size + _len是否大于_capacity ，大于则扩容。

挪动数据，插入新字符串，最后_size += len。

cpp 复制代码 
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos <= _size);
	size_t len = strlen(str);
	if (len == 0) return;
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
	}

	size_t end = _size + len;
	while (end > pos + len - 1)
	{
		_str[end] = _str[end - len];
		--end;
	}
	

	for (int i = 0; i < len; ++i)
	{
		_str[pos + i] = str[i];
	}

	_size += len;
}

erase

删除pos置开始的len长个字符

删除需要分情况讨论：

  1. 当删除的长度len >= 剩下元素_size - pos时 ，删除包括pos和之后的所有元素 ，直接将pos位置的元素置为'\0' ，将_size更新为pos 。当传入len时，函数就会调用缺省值npos，npos为INT_MAX，也是删除包括pos和之后的所有元素，npos就是在这里发挥作用。
  2. 当len < _size - pos时，挪动数据删除即可。
cpp 复制代码 
​
void string::erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
	assert(pos < _size);
	if (len >= _size - pos)
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		for (size_t i = pos + len; i <= _size; ++i)
		{
			_str[i - len] = _str[i];
		}
	}

	_size -= len;
}

​

删除完成更新_size。

substr

截取从pos位置开始的len长度的字符串，返回一个string对象。

如果len >= _size - pos ，也就是说从pos位置截取的长度大于剩余元素的长度 ，要将len更新为剩余元素的长度_size - pos，因为你不能没有元素了还截取。

cpp 复制代码 
string string::substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
	assert(pos < _size);
	if (len > _size - pos)
	{
		len = _size - pos;
	}

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

[]运算符重载

string本质上是对字符数组的封装，所以应该对[]进行重载从而支持随机访问。

我们也应该实现普通版本 和const版本。

cpp 复制代码 
char& operator[](size_t pos)    //&为了支持修改 
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	return _str[pos];
}

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

find

find也实现两个版本，一是从pos位置查找单个字符，二是从pos位置查找字符串（用C语言的strstr函数解决即可）。

cpp 复制代码 
size_t string::find(char ch, size_t pos)
{
	assert(pos < _size);
	for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
	{
		if (_str[i] == ch) 
			return i;
	}
	return npos;
}

size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
	assert(pos < _size); 
	const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
	if (ptr == nullptr)
		return npos;	
	return ptr - _str;       //返回下标
}

c_str

返回_str这个字符指针。

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

​

关系运算符

重载> < ==这些关系运算符。

这些函数写在类外面，配合刚刚的c_str使用。

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

重载流插入、流提取

这两个函数也是要写在类外面的。

流插入

实现类似cout << string对象的效果。

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

流提取

实现类似于cin >> string对象的效果

cpp 复制代码 
istream& operator>>(istream& in, string& str)  //cin scanf提取任何类型的值，默认空格或者换行都是分隔符
{                                            //空格换行读到了，被忽略了
	str.clear();
	char ch;
	//in >> ch;		
	ch = in.get();                           //get一个字符一个字符的读，跟getc一样的道理

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

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

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

	return in;
}

为了扩容不那么频繁，我们使用一个buff数组来缓解这个问题。

注意：cin 和 scanf是读不到空格和换行符的，必须用get函数才能一个字符一个字符的读。

拜拜，下期再见😏

摸鱼ing😴✨🎞

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