C++第八讲：string 类

叼烟扛炮2026-05-10 11:07

C++第八讲：string 类

string 是STL 中最常用的容器，也是所有 C++ 开发者每天都会用到的工具。它彻底解决了 C 语言字符串操作繁琐、容易越界、需要手动管理内存的痛点。

一、为什么必须学 string 类？

1. C 语言字符串的致命缺陷

C 语言中字符串是以\0结尾的字符数组，操作依赖<string.h>库函数，存在以下问题：

  1. 内存手动管理：需要自己申请 / 释放空间，容易内存泄漏

  2. 容易越界访问：strcpy、strcat 等函数不检查边界，导致缓冲区溢出

  3. 不符合面向对象思想：数据和操作分离，使用麻烦

  4. 功能单一：很多常用操作（如查找、替换、截取）需要自己实现

2. C++ string 类的优势

  • 自动管理内存，无需手动申请释放

  • 重载了常用运算符（+、+=、[]、==等），操作直观

  • 提供了丰富的成员函数，满足绝大多数字符串操作需求

  • 类型安全，不容易出现越界错误

一句话：工作中 99% 的字符串场景都用 string，几乎没人用 C 语言的字符数组。

二、前置知识：C++11 两个核心语法

在学习 string 之前，先掌握两个 C++11 的重要语法，后面会频繁用到。

1. auto 关键字：自动类型推导

作用

让编译器自动推导变量的类型，不用手动写复杂的类型名。

语法

cpp 复制代码 
auto 变量名 = 初始值;

示例

cpp 复制代码 
int a = 10;
auto b = a; // b自动推导为int
auto c = 'a'; // c自动推导为char
auto d = 3.14; // d自动推导为double
​
// 最常用场景：简化复杂类型
#include <map>
map<string, string> dict = {{"apple", "苹果"}, {"orange", "橙子"}};
// 不用写map<string, string>::iterator
auto it = dict.begin();

易错点

  1. 必须初始化 ：auto e; 编译报错，没有初始值无法推导类型

  2. 同一行变量类型必须一致 ：auto aa=1, bb=2.0; 报错，int 和 double 类型不同

  3. 声明引用必须加 & ：auto& m = a; 是引用，auto m = a; 是拷贝

  4. 不能作为函数参数 ：void func(auto a); 编译报错

2. 范围 for 循环：简化遍历

作用

自动遍历数组、容器等有范围的集合，不用手动控制下标或迭代器。

语法

cpp 复制代码 
for (元素类型 变量名 : 遍历范围) {
    // 操作变量
}

示例

cpp 复制代码 
// 遍历数组
int arr[] = {1,2,3,4,5};
for (auto e : arr) {
    cout << e << " ";
}
​
// 遍历string
string s = "hello";
for (auto ch : s) {
    cout << ch << " ";
}
​
// 修改元素：加引用
for (auto& ch : s) {
    ch -= 32; // 转大写
}

原理

范围 for 的底层就是迭代器，编译器会自动替换为迭代器遍历。

三、string 类常用接口（重点）

使用 string 必须包含头文件：#include <string>，且所有接口都在std命名空间中。

1. 构造函数（4 个最常用）

构造函数 功能说明 示例
string() 构造空字符串 string s1;
string(const char* s) 用 C 风格字符串构造 string s2("hello");
string(size_t n, char c) 构造 n 个字符 c 的字符串 string s3(5, 'a'); // "aaaaa"
string(const string& s) 拷贝构造 string s4(s2);

代码示例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
​
int main() {
    string s1; // 空字符串
    string s2("hello world"); // 用C字符串构造
    string s3(5, 'x'); // "xxxxx"
    string s4(s2); // 拷贝s2
​
    cout << s1 << endl; // 空
    cout << s2 << endl; // hello world
    cout << s3 << endl; // xxxxx
    cout << s4 << endl; // hello world
    return 0;
}

2. 容量操作

函数 功能说明 注意事项
size_t size() const 返回有效字符长度 ✅ 推荐使用，和其他容器接口统一
size_t length() const 返回有效字符长度 和 size () 完全一样，历史遗留
size_t capacity() const 返回总容量（能存多少字符） 容量≥size，预留空间避免频繁扩容
bool empty() const 判断是否为空 空返回 true，否则 false
void clear() 清空有效字符 不改变底层容量
void reserve(size_t n) 预留 n 个字符的空间 只改容量，不改 size；n < 当前容量时无作用
void resize(size_t n, char c='\0') 把有效字符改为 n 个 n>size：用 c 填充；n<size：截断；可能改变容量

核心区别：reserve vs resize

  • reserve：只预留空间，不改变有效字符个数，用于提前预估大小，避免频繁扩容

  • resize：改变有效字符个数，会初始化新增的字符

代码示例

cpp 复制代码 
int main() {
    string s = "hello";
    cout << s.size() << endl; // 5
    cout << s.capacity() << endl; // 15（VS下短字符串优化）
​
    s.reserve(100); // 预留100个字符空间
    cout << s.size() << endl; // 5（不变）
    cout << s.capacity() << endl; // 100
​
    s.resize(10, 'a'); // 有效字符改为10个，新增的用'a'填充
    cout << s << endl; // helloaaaaa
    cout << s.size() << endl; // 10
​
    s.resize(3); // 截断为3个字符
    cout << s << endl; // hel
    cout << s.size() << endl; // 3
    cout << s.capacity() << endl; // 100（不变）
​
    s.clear(); // 清空
    cout << s.size() << endl; // 0
    cout << s.capacity() << endl; // 100（不变）
    return 0;
}

3. 访问与遍历（3 种方式）

方式 语法 特点
operator[] s[pos] ✅ 最常用，像数组一样访问，支持读写
迭代器 begin()/end() 通用所有容器，支持反向迭代器rbegin()/rend()
范围 for for (auto ch : s) ✅ C++11 推荐，最简洁

代码示例

cpp 复制代码 
int main() {
    string s = "hello";
​
    // 1. []访问（推荐）
    for (int i=0; i<s.size(); ++i) {
        cout << s[i] << " ";
        s[i] += 1; // 可以修改
    }
    cout << endl;
​
    // 2. 迭代器
    string::iterator it = s.begin();
    while (it != s.end()) {
        cout << *it << " ";
        ++it;
    }
    cout << endl;
​
    // 反向迭代器：从后往前遍历
    string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
    while (rit != s.rend()) {
        cout << *rit << " ";
        ++rit;
    }
    cout << endl;
​
    // 3. 范围for（最简洁）
    for (auto ch : s) {
        cout << ch << " ";
    }
    cout << endl;
​
    return 0;
}

4. 修改操作（最常用）

函数 功能说明 推荐度
void push_back(char c) 尾插一个字符 ⭐⭐
string& operator+=(const string& str) 追加字符串 / 字符 ⭐⭐⭐ 最常用
string& append(const char* s) 追加 C 风格字符串 ⭐
const char* c_str() const 返回 C 风格字符串（const char*） ⭐⭐⭐ 用于和 C 语言接口交互
size_t find(char c, size_t pos=0) const 从 pos 开始找 c，返回下标，找不到返回string::npos ⭐⭐⭐
size_t rfind(char c, size_t pos=npos) const 从 pos 开始往前找 c ⭐⭐
string substr(size_t pos=0, size_t len=npos) const 从 pos 开始截取 len 个字符返回 ⭐⭐⭐

代码示例

cpp 复制代码 
int main() {
    string s = "hello";
​
    // 追加
    s += ' '; // 追加字符
    s += "world"; // 追加字符串
    cout << s << endl; // hello world
​
    // 查找
    size_t pos = s.find('o');
    if (pos != string::npos) {
        cout << "找到'o'在位置：" << pos << endl; // 4
    }
​
    pos = s.find("world");
    if (pos != string::npos) {
        cout << "找到'world'在位置：" << pos << endl; // 6
    }
​
    // 截取子串
    string sub = s.substr(6, 5); // 从位置6开始截取5个字符
    cout << sub << endl; // world
​
    // 转C风格字符串
    const char* cstr = s.c_str();
    printf("%s\n", cstr); // hello world
​
    return 0;
}

5. 非成员函数

函数 功能说明 注意事项
operator+ 字符串拼接 ❌ 尽量少用，传值返回会产生深拷贝，效率低
operator>> 输入字符串 遇到空格、换行结束
operator<< 输出字符串 正常输出
getline(istream& in, string& s) 读取一行字符串 ✅ 读取带空格的字符串，遇到换行结束
relational operators 大小比较（==、!=、<、>等） 按字典序比较

易错点：cin vs getline

  • cin >> s：遇到空格、制表符、换行就停止，无法读取带空格的字符串

  • getline(cin, s)：读取整行，直到遇到换行符，会丢弃换行符

cpp 复制代码 
int main() {
    string s;
    // 错误：输入"hello world"只会读取"hello"
    // cin >> s;
​
    // 正确：读取整行
    getline(cin, s);
    cout << s << endl;
    return 0;
}

四、string 的底层结构（面试高频）

不同编译器的 string 实现不同，主要有两种：VS 的短字符串优化 和G++ 的写时拷贝。

1. VS 下的 string：短字符串优化（SSO）

结构（32 位平台占 28 字节）

  • 一个联合体：

    • 长度 < 16：用内部 16 字节的字符数组存储（栈上）

    • 长度≥16：用堆空间存储，联合体存指向堆的指针

  • size_t _Mysize：有效字符长度

  • size_t _Myres：总容量

  • 一个指针：用于其他管理

优势

大多数字符串长度都小于 16，直接用栈空间，不需要申请堆内存，效率更高。

2. G++ 下的 string：写时拷贝（COW）

结构（32 位平台占 4 字节）

  • 只有一个指针，指向堆上的控制块：

    • size_t _M_length：有效长度

    • size_t _M_capacity：总容量

    • _Atomic_word _M_refcount：引用计数

    • 后面跟着实际的字符串数据

原理

多个 string 对象共享同一块堆内存，只有当某个对象修改字符串时，才会重新分配空间并拷贝数据（写时才拷贝）。

优势

拷贝构造和赋值效率极高，只需要拷贝指针和增加引用计数。

五、面试必考题：string 类的模拟实现

面试官几乎 100% 会让你手写 string 类的核心函数（构造、拷贝构造、赋值重载、析构），考察你对深拷贝和浅拷贝的理解。

1. 浅拷贝的问题

如果不自己实现拷贝构造和赋值重载，编译器会生成默认的浅拷贝，导致多个对象共享同一块内存，析构时重复释放，程序崩溃。

cpp 复制代码 
// 错误的string实现（浅拷贝）
class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        _str = new char[strlen(str)+1];
        strcpy(_str, str);
    }
​
    ~String() {
        delete[] _str;
        _str = nullptr;
    }
​
private:
    char* _str;
};
​
int main() {
    String s1("hello");
    String s2(s1); // 浅拷贝，s1和s2的_str指向同一块内存
    // 程序结束时，s2先析构释放内存，s1再析构时释放同一块内存，崩溃
    return 0;
}

2. 深拷贝的两种实现方式

方式 1：传统版（容易理解）

自己申请独立的空间，拷贝数据，每个对象有自己的资源。

cpp 复制代码 
class String {
public:
    // 构造函数
    String(const char* str = "") {
        if (str == nullptr) {
            assert(false);
            return;
        }
        _str = new char[strlen(str)+1];
        strcpy(_str, str);
    }
​
    // 拷贝构造：深拷贝
    String(const String& s) {
        _str = new char[strlen(s._str)+1];
        strcpy(_str, s._str);
    }
​
    // 赋值运算符重载：深拷贝
    String& operator=(const String& s) {
        if (this != &s) { // 防止自己给自己赋值
            // 先申请新空间
            char* tmp = new char[strlen(s._str)+1];
            strcpy(tmp, s._str);
            // 释放旧空间
            delete[] _str;
            // 指向新空间
            _str = tmp;
        }
        return *this;
    }
​
    // 析构函数
    ~String() {
        if (_str) {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
​
private:
    char* _str;
};

方式 2：现代版（更简洁高效）

利用局部对象的析构函数自动释放资源，通过 swap 交换指针。

cpp 复制代码 
class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        if (str == nullptr) {
            assert(false);
            return;
        }
        _str = new char[strlen(str)+1];
        strcpy(_str, str);
    }
​
    // 拷贝构造
    String(const String& s) : _str(nullptr) {
        String tmp(s._str); // 构造临时对象
        swap(_str, tmp._str); // 交换指针，tmp析构时释放旧空间
    }
​
    // 赋值运算符重载（现代版）
    String& operator=(String s) { // 传值参数，自动拷贝构造
        swap(_str, s._str); // 交换指针，s析构时释放旧空间
        return *this;
    }
​
    ~String() {
        if (_str) {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
​
private:
    char* _str;
};

六、经典 OJ 实战（笔试必练）

1. 反转字符串中的字母

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    bool isLetter(char ch) {
        return (ch >= 'a' && ch <= 'z') || (ch >= 'A' && ch <= 'Z');
    }
​
    string reverseOnlyLetters(string s) {
        int left = 0, right = s.size()-1;
        while (left < right) {
            // 跳过非字母
            while (left < right && !isLetter(s[left])) left++;
            while (left < right && !isLetter(s[right])) right--;
            swap(s[left], s[right]);
            left++;
            right--;
        }
        return s;
    }
};

2. 字符串中第一个只出现一次的字符

cpp 复制代码 
class Solution {
public:
    int firstUniqChar(string s) {
        int count[256] = {0};
        // 统计每个字符出现次数
        for (char ch : s) {
            count[ch]++;
        }
        // 找第一个出现一次的字符
        for (int i=0; i<s.size(); ++i) {
            if (count[s[i]] == 1) {
                return i;
            }
        }
        return -1;
    }
};

七、本章核心总结

  1. string 是 STL 最常用的容器，自动管理内存，操作简单安全

  2. 常用接口：构造、size、operator []、+=、find、substr、c_str、getline

  3. 底层实现：VS 用短字符串优化，G++ 用写时拷贝

  4. 面试必考点：深拷贝的实现，浅拷贝的问题

  5. 易错点：cin 和 getline 的区别，operator + 的效率问题，clear 不改变容量

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