C++之string的模拟实现

string

• 手写C++字符串类
• • • 类的基本结构与成员变量
    • 一、构造函数与析构函数
    • 二、赋值运算符重载
    • 三、迭代器支持
    • 四、内存管理与扩容机制
    • 五、字符串操作函数
    • 六、运算符重载
    • 总结

手写C++字符串类

从零实现一个简易版std::string

类的基本结构与成员变量

namespace zzh {
class string {
private:
    char* _str;        // 存储字符串的字符数组
    size_t _size;      // 当前字符串长度
    size_t _capacity;  // 已分配的容量
public:
    static const size_t npos;  // 表示"不存在的位置"
    // 各类成员函数...
};
}

这个自定义字符串类主要通过动态分配的字符数组_str来存储字符串内容，并维护两个重要状态：_size表示当前字符串长度，_capacity表示已分配的内存容量。

1. 基本成员变量
   在自定义 string 类中，我们需要定义一些基本的成员变量来存储字符串的内容和相关信息：
   _str：用于存储字符串的字符数组，通常是一个动态分配的 char 类型数组。
   _size：表示当前字符串的实际长度，不包括结尾的空字符 \0。
   _capacity：表示分配的内存容量，通常大于或等于 _size，用于优化内存分配效率。
2. 构造函数和析构函数
   构造函数用于初始化 string 对象，常见的构造方式包括：
   从 C 风格字符串构造（const char*）：通过 strlen 计算字符串长度，并动态分配内存来存储字符串内容。
   拷贝构造函数：用于从另一个 string 对象构造新对象，需要深拷贝内存以避免悬挂指针问题。
   默认构造函数：用于创建一个空字符串。
   析构函数则负责释放动态分配的内存，避免内存泄漏。
3. 赋值运算符重载
   为了支持对象之间的赋值操作，我们需要重载赋值运算符 =。在实现时，需要注意自赋值的情况，并进行深拷贝以确保两个对象的内存独立。
4. 内存管理
   字符串操作中，内存管理是一个关键问题。我们需要在字符串长度超过当前容量时动态扩展内存。通常的做法是将容量加倍，以减少频繁的内存分配操作。
5. 迭代器支持
   为了方便遍历字符串中的字符，我们可以提供迭代器支持。通过定义 begin() 和 end() 方法，返回指向字符串首尾的指针，可以方便地使用标准库算法。
6. 常见操作实现
   追加字符或字符串：通过 push_back 和 append 方法，可以在字符串末尾添加字符或另一个字符串的内容。在实现时，需要注意内存容量是否足够，并在必要时进行扩展。
   查找和替换：提供 find 方法用于查找字符或子字符串的位置，insert 和 erase 方法用于插入和删除字符或子字符串。
   比较操作：重载比较运算符（如 <、>、== 等），以便可以直接比较两个 string 对象的大小。

一、构造函数与析构函数

// 1. 从C风格字符串构造
string::string(const char* str)
{
    _size = strlen(str);
    _str = new char[_size + 1];
    _capacity = _size;
    memcpy(_str, str, _size + 1);
}

// 2. 拷贝构造函数
string::string(const string& s)
{
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
    _str = new char[_capacity + 1];
    memcpy(_str, s._str, _size + 1);
}

// 3. 析构函数
string::~string()
{
    delete[] _str;
    _str = nullptr;
    _size = 0;
    _capacity = 0;
}

关键点：

• 构造函数负责分配内存并复制字符串内容
• 拷贝构造函数实现深拷贝，避免内存共享
• 析构函数必须释放动态分配的内存，防止内存泄漏

二、赋值运算符重载

string& string::operator=(const string& s)
{
    if (this != &s)
    {
        char* tmp = new char[s._capacity + 1];
        memcpy(tmp, s._str, s._size + 1);
        delete[] _str;  // 注意：原代码此处顺序有误，已修正
        _str = tmp;
        _size = s._size;
        _capacity = s._capacity;
    }
    return *this;
}

技术要点：

• 使用临时变量确保异常安全
• 自我赋值检查避免无效操作
• 先分配新内存再释放旧内存，防止内存泄漏

三、迭代器支持

string::iterator string::begin() { return _str; }
string::iterator string::end() { return _str + _size; }

说明：

• 迭代器本质是字符指针
• begin()返回字符串首地址
• end()返回字符串末尾的下一个位置

四、内存管理与扩容机制

// 预分配内存
void string::reserve(size_t n)
{
    if (n > _capacity)
    {
        char* tmp = new char[n + 1];
        memcpy(tmp, _str, _size + 1);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}

// 追加字符
void string::push_back(char c)
{
    if (_size >= _capacity)
    {
        size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
        reserve(newcapacity);
    }
    _str[_size++] = c;  // 注意：原代码此处错误地写入了固定字符'c'
    _str[_size] = '\0';
}

内存管理策略：

• 采用指数级扩容（2倍）减少内存分配次数
• reserve()实现预分配，避免频繁扩容
• 每次扩容后保留额外空间，提高插入效率

五、字符串操作函数

// 追加C风格字符串
void string::append(const char* str)
{
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity)
    {
        size_t newcapacity = 2 * _capacity > _size + len ? 2 * _capacity : _size + len;
        reserve(newcapacity);
    }
    memcpy(_str + _size, str, len);  // 注意：原代码此处多复制了一个终止符
    _size += len;
    _str[_size] = '\0';  // 手动添加终止符
}

// 查找字符
size_t string::find(char c, size_t pos = 0) const
{
    for (size_t i = pos; i < _size; i++)
    {
        if (_str[i] == c)
            return i;
    }
    return npos;
}

// 插入字符
string& string::insert(size_t pos, char c)
{
    assert(pos <= _size);
    if (_size >= _capacity)
    {
        size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
        reserve(newcapacity);
    }
    // 从后向前移动元素
    for (size_t i = _size; i > pos; i--)
        _str[i] = _str[i - 1];
    _str[pos] = c;
    _size++;
    return *this;
}

核心算法：

• append()通过内存拷贝实现高效追加
• find()线性查找目标字符
• insert()通过元素后移实现插入操作
• 使用memmove()处理内存重叠情况

六、运算符重载

// 比较运算符
bool string::operator<(const string& s)
{
    size_t i1 = 0, i2 = 0;
    while (i1 < _size && i2 < s._size)
    {
        if (_str[i1] < s._str[i2])
            return true;
        else if (_str[i1] > s._str[i2])
            return false;
        i1++; i2++;
    }
    return i1 < s._size;  // 注意：原代码此处逻辑有误，已修正
}

// 索引运算符
char& string::operator[](size_t index)
{
    assert(index < _size);
    return _str[index];
}

实现要点：

• 比较运算符按字典序逐字符比较
• 索引运算符提供随机访问能力
• 提供常量和非常量两个版本的重载

总结

通过手写这个简易版string类，我们深入理解了标准库字符串类的核心机制：动态内存管理、深拷贝实现、迭代器设计、扩容策略等。虽然现代C++编程中应优先使用std::string，但掌握这些底层原理有助于写出更高效、更安全的代码。