系统性学习C++-第七讲- string类
- [1. 为什么学习 string类？](#1. 为什么学习 string类？)
-
- [1.1 C语言中的字符串](#1.1 C语言中的字符串)
- [1.2 一个面试题(暂不做讲解)](#1.2 一个面试题(暂不做讲解))
- [2. 标准库中的 string类](#2. 标准库中的 string类)
-
- [2.1 string类(了解即可)](#2.1 string类(了解即可))
- [2.2 ` auto ` 和 范围 ` for `](#2.2
auto和 范围for) - [2.3 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）](#2.3 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）)
- [3. string类的模拟实现](#3. string类的模拟实现)
- [3.1 经典的 string 类问题](#3.1 经典的 string 类问题)
-
- [3.2 浅拷贝](#3.2 浅拷贝)
- [3.3 深拷贝](#3.3 深拷贝)
-
- [3.3.1 传统版写法的 string 类](#3.3.1 传统版写法的 string 类)
- [3.3.2 现代版写法的 string 类](#3.3.2 现代版写法的 string 类)
- [3.3 写时拷贝(了解即可)](#3.3 写时拷贝(了解即可))
- [4. 扩展阅读](#4. 扩展阅读)
1. 为什么学习 string类？
1.1 C语言中的字符串
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。
1.2 一个面试题(暂不做讲解)
在 OJ 中，有关字符串的题目基本以 string 类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用 string 类，
很少有人去使用 C 库中的字符串操作函数。
2. 标准库中的 string类
2.1 string类(了解即可)
在使用 string 类时，必须包含 #include头文件 以及 using namespace std;
2.2 auto 和 范围 for
auto 关键字
在这里补充 2 个 C++11 的小语法，方便我们后面的学习。
-
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
cpp
#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()
{
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;
auto aa = 1, bb = 2;
// 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 };
return 0;
}
cpp
#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;
}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
int main()
{
int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
// C++98的遍历
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
{
array[i] *= 2;
}
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
{
cout << array[i] << endl;
}
// C++11的遍历
for (auto& e : array)
e *= 2;
for (auto e : array)
cout << e << " " << endl;
string str("hello world");
for (auto ch : str)
{
cout << ch << " ";
}
cout << endl;
return 0;
}2.3 string类的常用接口说明（注意下面我只讲解最常用的接口）
1. string 类对象的常见构造
| (constructor)函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| string() （重点） | 构造空的 string 类对象，即空字符串 |
| string(const char* s) （重点） | 用C-string来构造string类对象 |
| string(const string&s) （重点） | 拷贝构造函数 |
cpp
void Teststring()
{
string s1; // 构造空的string类对象s1
string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
string s3(s2); // 拷贝构造s3
}2. 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 | 返回空间总大小 |
| 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 |
注意：
-
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() -
clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。 -
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。 -
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。
3. string类对象的访问及遍历操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| operator[]（重点） | 返回 pos 位置的字符，const string 类对象调用 |
| begin + end | begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器 |
| rbegin + rend | begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器 |
| 范围 for | C++11 支持更简洁的范围 for 的新遍历方式 |
4. string类对象的修改操作
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| push_back | 在字符串后尾插字符 |
| append | 在字符串后追加一个字符串 |
| operator+= （重点） | 在字符串后追加字符串 str |
| c_str（重点） | 返回 C 格式字符串 |
| find + npos （重点） | 从字符串 pos 位置开始往后找字符 c ，返回该字符在字符串中的位置 |
| rfind | 从字符串 pos 位置开始往前找字符 c ，返回该字符在字符串中的位置 |
| 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 |
| substr | 在 str 中从 pos 位置开始，截取 n 个字符，然后将其返回 |
意：
-
在
string尾部追加字符时，s.push_back(c)/s.append(1, c)/s += 'c'三种的实现方式差不多，一般情况下string类的 += 操作用的比较多，+= 操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。 -
对
string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。
5. string 类非成员函数
| 函数名称 | 功能说明 |
|---|---|
| operator+ | 尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低 |
| operator>> （重点） | 输入运算符重载 |
| operator<< （重点） | 输出运算符重载 |
| getline（重点） | 获取一行字符串 |
| relational operators （重点） | 大小比较 |
上面的几个接口大家了解一下，下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，
大家在需要用到时不明白了查文档即可。
6. vs 和 g++ 下 string 结构的说明
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
cpp
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
cpp
struct _Rep_base
{
size_type _M_length;
size_type _M_capacity;
_Atomic_word _M_refcount;
};指向堆空间的指针，用来存储字符串。
7. 牛刀小试
仅仅反转字母
cpp
class Solution {
public:
bool isLetter(char ch)
{
if(ch >= 'a' && ch <= 'z')
return true;
if(ch >= 'A' && ch <= 'Z')
return true;
return false;
}
string reverseOnlyLetters(string s)
{
if(s.empty())
return s;
size_t begin = 0, end = s.size() - 1;
while(begin < end)
{
while(begin < end && !isLetter(s[begin]))
begin++;
while(begin < end && !isLetter(s[end]))
end--;
swap(s[begin], s[end]);
begin++;
end--;
}
return s;
}
};对于这道题，要注意的点是在进行 swap 交换后，对于 begin 与 end 仍然要分别进行自增，自减操作，否则在下一次进入循环后，
会陷入到死循环中。
cpp
class Solution {
public:
int firstUniqChar(string s) {
int count[256] = {0};
size_t size = s.size();
for(int i = 0; i < size; i++)
{
count[s[i]]++;
}
for(int i = 0;i < size; i++)
{
if(count[s[i]] == 1)
{
return i;
}
}
return -1;
}
};对于这道题注意的点在于，解题的思路在于我们将所有出现的字符与 count 数组中的下标一一对应，数组中存储的数值，
代表在字符串中出现的次数，当次数统计完成时，我们便需要找出第一个只出现一次的字符，对应就是在数组中数组存储为 1 的字符，
但出现次数为 1 的字符可能有多个，此时我们就该从字符串入手，以字符在字符串中出现的顺序去 count 数组中依次查找，
这样第一个数值为 1 的字符对应在 s 中的下标，就是我们要找出的字符。
cpp
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
string line;
while(getline(cin, line))
{
size_t pos = line.rfind(' ');
cout << line.size() - pos - 1 << endl;
}
return 0;
}
cpp
class Solution {
public:
bool isLetter(char ch)
{
return (ch >= '0' && ch <= '9') || (ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z');
}
bool isPalindrome(string s)
{
for(auto& a : s)
{
if(a >= 'a' && a <= 'z')
a -= 32;
}
int begin = 0, end = s.size() - 1;
while(begin < end)
{
while(begin < end && !isLetter(s[begin]))
begin++;
while(begin < end && !isLetter(s[end]))
end--;
if(s[begin] != s[end])
return false;
else{
begin++, end--;
}
}
return true;
}
};在这道题的解答中，我们要注意如何让大写字符与小写字符判断为相等，这里我们采用暴力解决的方式，在用范围 for 进行遍历时，
我们将所有小写字符转换为大写字符，所以在下面的判断中，我们就无需进行更加复杂的操作。
3. string类的模拟实现
3.1 经典的 string 类问题
上面已经对 string 类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现 string 类，
最主要是实现 string 类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下 string 类的实现是否有问题？
cpp
// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:
/*String()
:_str(new char[1])
{*_str = '\0';}
*/
//String(const char* str = "\0") 错误示范
//String(const char* str = nullptr) 错误示范
String(const char* str = "")
{
// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非
if (nullptr == str)
{
assert(false);
return;
}
_str = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(_str, str);
}
~String()
{
if (_str)
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
}
private:
char* _str;
};
// 测试
void TestString()
{
String s1("hello bit!!!");
String s2(s1);
}
说明：上述 String 类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用 s1 构造 s2 时，
编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2 共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，
这种拷贝方式，称为浅拷贝。
3.2 浅拷贝
浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，
当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，
就会发生发生了访问违规。就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，
万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。
可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。
父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。
3.3 深拷贝
如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。
一般情况都是按照深拷贝方式提供。
3.3.1 传统版写法的 string 类
cpp
class String
{
public:
String(const char* str = "")
{
// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非
if (nullptr == str)
{
assert(false);
return;
}
_str = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(_str, str);
}
String(const String& s)
: _str(new char[strlen(s._str) + 1])
{
strcpy(_str, s._str);
}
String& operator=(const String& s)
{
if (this != &s)
{
char* pStr = new char[strlen(s._str) + 1];
strcpy(pStr, s._str);
delete[] _str;
_str = pStr;
}
return *this;
}
~String()
{
if (_str)
{
delete[]_str;
_str = nullptr;
}
}
private:
char* _str;
}3.3.2 现代版写法的 string 类
cpp
class String
{
public:
String(const char* str = "")
{
if (nullptr == str)
{
assert(false);
return;
}
_str = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(_str, str);
}
String(const String& s)
: _str(nullptr)
{
String strTmp(s._str);
swap(_str, strTmp._str);
}
// 对比下和上面的赋值那个实现比较好？
String& operator=(String s)
{
swap(_str, s._str);
return *this;
}
/*
String& operator=(const String& s)
{
if(this != &s)
{
String strTmp(s);
swap(_str, strTmp._str);
}
return *this;
}
*/
~String()
{
if (_str)
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
}
private:
char* _str;
};3.3 写时拷贝(了解即可)
写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。
引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成 1 ，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加 1 ，
当某个对象被销毁时，先给该计数减 1 ，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为 1 ，说明该对象时资源的最后一个使用者，
将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源。