【C++】string类

C++ string 类全面解析

1. 为什么学习 string 类？

1.1 C语言中的字符串局限性

在C语言中，字符串是以\0结尾的字符数组，这种表示方式存在几个明显的缺陷：

C语言字符串的主要问题：

• 安全性问题：容易发生缓冲区溢出，导致程序崩溃或安全漏洞
• 内存管理复杂：需要手动管理内存分配和释放，容易造成内存泄漏
• 功能有限：标准库函数功能相对基础，复杂的字符串操作需要自行实现
• 不符合面向对象思想：数据与操作分离，不符合现代编程范式

// C语言字符串操作的典型问题
char str[10];
strcpy(str, "这个字符串太长了会导致溢出");  // 潜在的安全风险

1.2 实际应用需求

在现代编程中，字符串处理占据了极大的比重。无论是Web开发、数据处理还是系统编程，都离不开高效的字符串操作。string类的出现正是为了解决C语言字符串的种种痛点。

面试题示例（后续详解）：

• 字符串转整型数字
• 大数相加（字符串形式）

实践建议：在OJ题目和实际开发中，string类已成为字符串处理的首选工具，相比C字符串库函数更加安全高效。

2. 标准库中的string类

2.1 string类基础

string类是C++标准库中用于表示和操作字符串的类，封装了字符串的存储和常见操作。

基本用法：

#include <string>
#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    string s1;              // 空字符串
    string s2 = "Hello";    // 直接初始化
    string s3("World");     // 构造函数初始化
    return 0;
}

2.2 C++11新特性：auto和范围for

auto关键字详解

auto是C++11引入的类型推断关键字，让编译器自动推导变量类型。

auto的使用规则：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    // 基本类型推断
    auto a = 10;           // int
    auto b = 3.14;         // double
    auto c = 'A';          // char
    
    // 指针和引用
    int x = 100;
    auto y = &x;           // int*
    auto* z = &x;          // int* (与上面等价)
    auto& ref = x;         // int&
    
    // 容器迭代器简化
    map<string, string> dict = {{"apple", "苹果"}, {"banana", "香蕉"}};
    
    // 传统写法（冗长）
    map<string, string>::iterator it1 = dict.begin();
    
    // auto写法（简洁）
    auto it2 = dict.begin();
    
    // 遍历map
    for (auto it = dict.begin(); it != dict.end(); ++it) {
        cout << it->first << ": " << it->second << endl;
    }
    
    return 0;
}

auto的限制：

• 必须初始化：auto x; // 错误
• 多变量声明必须类型一致：auto a=1, b=2.0; // 错误
• 不能用于函数参数（但可以用于返回值）
• 不能声明数组：auto arr[] = {1,2,3}; // 错误

范围for循环（Range-based for loop）

范围for提供了更简洁的遍历语法，特别适合容器遍历。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    // 数组遍历
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 传统遍历方式
    for (int i = 0; i < sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); ++i) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 范围for遍历（只读）
    for (auto elem : arr) {
        cout << elem << " ";
    }
    cout << endl;
    
    // 范围for遍历（可修改）
    for (auto& elem : arr) {
        elem *= 2;  // 修改元素
    }
    
    // 字符串遍历
    string str = "Hello";
    for (auto ch : str) {
        cout << ch << " ";
    }
    cout << endl;
    
    return 0;
}

范围for的底层原理：编译器会将范围for转换为基于迭代器的普通循环。

2.3 string类常用接口详解

2.3.1 构造函数

构造函数	功能说明	示例
string()	创建空字符串	string s1;
string(const char* s)	用C字符串构造	string s2("hello");
string(size_t n, char c)	n个字符c组成的字符串	string s3(5, 'A'); // "AAAAA"
string(const string& str)	拷贝构造	string s4(s2);

void testConstructors() {
    string s1;                    // 空字符串
    string s2("Hello World");     // 从C字符串构造
    string s3(s2);                // 拷贝构造
    string s4(10, '*');           // "**********"
    string s5 = "直接赋值";        // 赋值初始化
    
    cout << "s2: " << s2 << endl;
    cout << "s4: " << s4 << endl;
}

2.3.2 容量操作

重要容量方法：

方法	功能	说明
size()/length()	返回字符串长度	两者功能相同，推荐size()
capacity()	返回分配的内存大小	通常 ≥ size()
empty()	判断是否为空	空返回true，否则false
clear()	清空内容	不释放内存，size=0
reserve(size_t n)	预留空间	避免频繁重新分配
resize(size_t n, char c)	调整大小	多出部分用c填充

void testCapacity() {
    string str = "Hello";
    
    cout << "长度: " << str.size() << endl;        // 5
    cout << "容量: " << str.capacity() << endl;    // 15（编译器相关）
    cout << "是否为空: " << str.empty() << endl;   // 0（false）
    
    str.resize(10, '!');
    cout << "调整后: " << str << endl;             // "Hello!!!!!"
    
    str.reserve(100);
    cout << "预留后容量: " << str.capacity() << endl;
    
    str.clear();
    cout << "清空后长度: " << str.size() << endl;  // 0
}

resize()详解：

string s = "Hello";
s.resize(3);        // "Hel"（截断）
s.resize(8, '!');   // "Hel!!!!!"（扩展并填充）
s.resize(10);       // "Hel!!!!!  "（扩展，默认填充空格）

2.3.3 元素访问和遍历

多种遍历方式：

void testTraversal() {
    string str = "ABCDE";
    
    // 1. 下标操作符[]
    for (size_t i = 0; i < str.size(); ++i) {
        cout << str[i] << " ";  // A B C D E
    }
    cout << endl;
    
    // 2. 迭代器
    for (auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it) {
        cout << *it << " ";     // A B C D E
    }
    cout << endl;
    
    // 3. 反向迭代器
    for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit) {
        cout << *rit << " ";    // E D C B A
    }
    cout << endl;
    
    // 4. 范围for（推荐）
    for (auto ch : str) {
        cout << ch << " ";      // A B C D E
    }
    cout << endl;
}

2.3.4 修改操作

常用修改方法：

方法	功能	示例
push_back(char c)	尾部添加字符	str.push_back('!')
append(const string& str)	追加字符串	str.append(" World")
operator+=	追加（最常用）	str += "!!"
insert(size_t pos, const string& str)	插入字符串	str.insert(5, "插入")
erase(size_t pos, size_t len)	删除子串	str.erase(5, 2)
replace(size_t pos, size_t len, const string& str)	替换子串	str.replace(0, 5, "Hi")

void testModification() {
    string str = "Hello";
    
    // 追加操作
    str.push_back('!');         // "Hello!"
    str.append(" World");       // "Hello! World"
    str += "!!";                // "Hello! World!!"（最常用）
    
    // 插入和删除
    str.insert(6, "C++ ");      // "Hello! C++ World!!"
    str.erase(0, 7);            // "C++ World!!"
    str.replace(4, 5, "String"); // "C++ String!!"
    
    cout << "最终结果: " << str << endl;
}

2.3.5 字符串操作

查找和子串操作：

void testStringOperations() {
    string str = "Hello World, Hello C++";
    
    // 查找操作
    size_t pos1 = str.find("Hello");     // 0
    size_t pos2 = str.find("Hello", 1);  // 13（从位置1开始找）
    size_t pos3 = str.rfind("Hello");    // 13（从后往前找）
    
    // 子串提取
    string sub1 = str.substr(6, 5);      // "World"
    string sub2 = str.substr(6);         // "World, Hello C++"
    
    // 比较操作
    string s1 = "apple", s2 = "banana";
    int result = s1.compare(s2);         // 负数（apple < banana）
    
    cout << "find结果: " << pos1 << ", " << pos2 << ", " << pos3 << endl;
    cout << "子串: " << sub1 << ", " << sub2 << endl;
}

2.4 不同编译器下的string实现

VS下的string实现（小字符串优化）

Visual Studio采用小字符串优化(SSO)策略：

内存布局（32位平台）：

• 16字节缓冲区：长度<16时使用栈空间
• 4字节：字符串长度
• 4字节：总容量
• 4字节：其他信息
• 总计28字节

优势：短字符串无需堆分配，提高性能。

// VS中小字符串优化的效果
string shortStr = "short";    // 使用内部缓冲区（栈）
string longStr = "这是一个很长的字符串...";  // 使用堆分配

g++下的string实现（写时拷贝）

g++采用写时拷贝(Copy-On-Write)技术：

内存布局：

• 4字节指针：指向堆上的结构体
• 结构体包含：长度、容量、引用计数、字符串数据

优势：拷贝时不立即复制数据，提高拷贝效率。

// g++中的写时拷贝
string s1 = "hello";
string s2 = s1;  // 不复制数据，只增加引用计数
s2[0] = 'H';     // 此时才真正复制数据（写时拷贝）

2.5 实战练习

示例1：仅反转字母

class Solution {
public:
    bool isLetter(char ch) {
        return (ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z');
    }
    
    string reverseOnlyLetters(string s) {
        if (s.empty()) return s;
        
        int left = 0, right = s.size() - 1;
        while (left < right) {
            // 找到左边的字母
            while (left < right && !isLetter(s[left])) ++left;
            // 找到右边的字母
            while (left < right && !isLetter(s[right])) --right;
            
            // 交换字母
            if (left < right) {
                swap(s[left], s[right]);
                ++left;
                --right;
            }
        }
        return s;
    }
};

示例2：字符串相加（大数加法）

class Solution {
public:
    string addStrings(string num1, string num2) {
        int i = num1.size() - 1, j = num2.size() - 1;
        int carry = 0;
        string result;
        
        while (i >= 0 || j >= 0 || carry > 0) {
            int digit1 = (i >= 0) ? num1[i--] - '0' : 0;
            int digit2 = (j >= 0) ? num2[j--] - '0' : 0;
            
            int sum = digit1 + digit2 + carry;
            carry = sum / 10;
            result.push_back('0' + (sum % 10));
        }
        
        reverse(result.begin(), result.end());
        return result;
    }
};

示例三：字符串最后一个单词的长度

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    string s;
    getline(cin,s);//这里不能用流提取。流提取识别不了空格
    
    size_t pos=s.rfind(' ');
    
    cout<<s.size()-(pos+1)<<endl;    
}

getlin默认三个参数，输入两个时，默认最后一个是空

3. string类的模拟实现

3.1 浅拷贝问题

浅拷贝的危险性：

// 有问题的String类实现
class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    
    ~String() {
        delete[] _str;
    }
    
private:
    char* _str;
};

void testProblem() {
    String s1("hello");
    String s2(s1);  // 浅拷贝：s1和s2指向同一内存
    // 析构时：同一内存被删除两次 → 程序崩溃
}

3.2 深拷贝实现

传统版String类

class String {
public:
    // 构造函数
    String(const char* str = "") {
        if (str == nullptr) str = "";
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    
    // 拷贝构造函数（深拷贝）
    String(const String& other) {
        _str = new char[strlen(other._str) + 1];
        strcpy(_str, other._str);
    }
    
    // 赋值运算符重载
    String& operator=(const String& other) {
        if (this != &other) {  // 防止自赋值
            char* temp = new char[strlen(other._str) + 1];
            strcpy(temp, other._str);
            delete[] _str;     // 释放原有资源
            _str = temp;
        }
        return *this;
    }
    
    // 析构函数
    ~String() {
        delete[] _str;
    }
    
private:
    char* _str;
};

现代版String类（更优雅）

class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        if (str == nullptr) str = "";
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    
    // 拷贝构造函数：利用临时对象交换
    String(const String& other) : _str(nullptr) {
        String temp(other._str);  // 用C字符串构造临时对象
        swap(_str, temp._str);    // 交换资源
    }
    
    // 赋值运算符：参数为值传递，利用交换技术
    String& operator=(String other) {  // 注意：参数为值传递
        swap(_str, other._str);       // 交换资源
        return *this;                 // other析构时会释放原有资源
    }
    
    ~String() {
        delete[] _str;
    }
    
private:
    char* _str;
};

3.3 写时拷贝（Copy-On-Write）

写时拷贝是一种优化技术，在读取时共享数据，在修改时才进行实际拷贝。

基本原理：

1. 多个对象共享同一数据
2. 引用计数跟踪共享者数量
3. 当有修改操作时，才进行实际拷贝

// 简化的写时拷贝实现
class CowString {
private:
    struct StringData {
        char* data;
        int refCount;  // 引用计数
        
        StringData(const char* str) {
            data = new char[strlen(str) + 1];
            strcpy(data, str);
            refCount = 1;
        }
        
        ~StringData() {
            delete[] data;
        }
    };
    
    StringData* _data;
    
public:
    // 实现细节略...
};

4. 最佳实践和性能建议

4.1 字符串操作优化

// 不推荐的写法（性能差）
string result;
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    result += "data";  // 可能多次重新分配内存
}

// 推荐的写法
string result;
result.reserve(5000);  // 预先分配足够空间
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    result += "data";  // 无重新分配
}

4.2 选择合适的方法

string str = "hello";

// 尾部添加字符的三种方式
str.push_back('!');     // 方式1
str.append(1, '!');     // 方式2  
str += '!';             // 方式3（最常用）

// 查找操作选择
size_t pos1 = str.find('e');      // 查找字符
size_t pos2 = str.find("ll");     // 查找子串
size_t pos3 = str.rfind('l');     // 反向查找

5. 总结

string类是C++中最重要的工具类之一，它：

1. 解决了C字符串的安全性问题：自动内存管理，防止缓冲区溢出
2. 提供了丰富的操作方法：查找、替换、分割等常用操作一应俱全
3. 具有高效的实现：小字符串优化、写时拷贝等技术提升性能

推荐的写法

string result;
result.reserve(5000);  // 预先分配足够空间
for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
    result += "data";  // 无重新分配
}

4.2 选择合适的方法

string str = "hello";

// 尾部添加字符的三种方式
str.push_back('!');     // 方式1
str.append(1, '!');     // 方式2  
str += '!';             // 方式3（最常用）

// 查找操作选择
size_t pos1 = str.find('e');      // 查找字符
size_t pos2 = str.find("ll");     // 查找子串
size_t pos3 = str.rfind('l');     // 反向查找

5. 总结

string类是C++中最重要的工具类之一，它：

1. 解决了C字符串的安全性问题：自动内存管理，防止缓冲区溢出
2. 提供了丰富的操作方法：查找、替换、分割等常用操作一应俱全
3. 具有高效的实现：小字符串优化、写时拷贝等技术提升性能
4. 支持现代C++特性：与STL算法、范围for等完美配合