C++string类

文章目录

• C++string类
• • 为什么要学习string类
  • • C语言字符串的问题
  • 标准库中的string类
  • • string类
    • string类的常用接口说
    • [VS 和 G++ 下 string 的结构](#VS 和 G++ 下 string 的结构)
    • 小试牛刀

C++string类

为什么要学习string类

C语言字符串的问题

C 语言中字符串是以'\0' 结尾的字符数组，为了操作方便C语言提供了一些 str 系列函数，例如 strlen、strcpy、strcat。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。

标准库中的string类

string类

string类型文档介绍。

1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using std::string;

比较不舒服的地方就是string类并不支持char类型的构造，原因大致有一下几种：

1. C语言的char类型既是字符也是字符串，这就导致string准确没办法处理，所以就干脆不处理，就算处理也是将char类型直接当成字符串来处理；
2. 因为C++标准库强烈倾向于 显式优于隐式 。这是因为迭代器的原因，后续我们会了解我为什么说是因为迭代器的原因，这里就简单说一下迭代器可以让这些类（容器）拥有一套统一的访问接口，从而完美地与各种泛型算法；
3. 因为标准库有 string(size_t n, char c)为了避免产生逻辑冲突，那么可以认为2和3才是为什么C++不提供char类型构造的核心原因。

其实还有一些原因就不展开的说了，因为在后续我们对C++的不断的学习就会不断的了解这些原因。

string类的常用接口说

1. 构造函数

函数	功能
string()	构造空 string
string(const char* s)	用 C 字符串构造
string(size_t n, char c)	包含 n 个字符 c
string(const string& s)	拷贝构造

#include <iostream>
#include <string>

using std::string;

void test1()
{
    string s1; // 构造空的string类对象s1
    string s2("hello world"); // 用C-string来构造string类对象s2
    string s3(s2); // 拷贝构造s3
    string s4(5,'x'); // 构造包含 n 个字符 c类对象s4
}

2. string类对象的容量操作

函数	功能
size()	返回有效字符长度
length()	同上，历史原因保留
capacity()	返回空间总大小
empty()	是否为空
clear()	清空有效字符
reserve()	预留空间
resize()	改变有效字符个数

void test2()
{
    string s1 = "hello world";

    int size = s1.size();
    cout << "size: " << size << endl;

    size = s1.capacity();
    cout << "capacity: " << size << endl;

    if(s1.empty())
    {
        cout << "s1为空!" << endl;
    }
    else {
        cout << "s1不为空!" << endl;
    }

    s1.clear();
    cout << s1 << endl;

    string s2("hello c++");
    s2.reserve(13); 
    cout << s2.size() << endl;

    s2.resize(12,'a'); 
    cout << s2 << endl;

}

注意：

• size() 和 length() 底层一致，推荐 size()，为了和其他容器统一。
• clear() 只清空有效字符，不改变底层空间大小。
• resize(n) 增大时用 '\0' 填充；resize(n, c) 用 c 填充。
• resize 增大可能扩容，减小时底层容量通常不变。
• reserve(n) 只预留空间，不改变有效元素个数；如果 n 小于当前容量，通常不改变容量。

3. string类对象的访问及遍历操作

函数	功能
operator[]	返回 pos 位置字符
begin()/end()	正向迭代器
rbegin()/rend()	反向迭代器
范围 for	C++11 简洁遍历

void test3()
{
    string s1 = "abcdefg";

    // 常规
    for(size_t i = 0; i < s1.size();++i)
    {
        cout << s1[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    // 范围for
    for(auto ch : s1)
    {
        cout << ch << " ";
    }
    cout << endl;
}

注：范围for的底层是迭代器来实现的，范围for使用起来更方便并且不易越界。

4. tring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c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+=	在字符串后追加字符串str
c_str	返回C格式字符串
find + npos	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
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

void test4()
{
    string s1;
    s1 += "hello";
    s1 += " world";

    cout << s1 << endl;

    // char ch = s1; 
    const char* ch = s1.c_str();

    size_t size = s1.find("hello");
    if(size != string::npos)
    {
        cout << "找到了" << endl;
    }
    else {
        cout << "没有找到了" << endl;
    }

    cout << s1.substr(0,5) << endl;
}

注意：

• push_back( c)、append(1, c)、+= 'c' 效果类似，但 += 最常用。
• += 不仅能连接字符，还能连接字符串。
• 如果能预估字符数量，先 reserve。

5. string类非成员函数

函数	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>	输入运算符重载
operator<<	输出运算符重载
getline	获取一行字符串
relational operators	大小比较

void test5()
{
    string s1;
    string s2 = "hello ";
    string s3 = "world";
    s1 = s2 + s3;

    cout << s1 << endl;

    s1.clear();
    std::getline(cin,s1);
    cout << s1 << endl;

    if (s1 == s2) std::cout << "s1 == s2(内容相同)" << std::endl;
    if (s1 != s2) std::cout << "s1 != s2" << std::endl;
    if (s1 < s2)  std::cout << "s1 < s2 ('a'的ASCII小于'b')" << std::endl;
    if (s1 > s2)  std::cout << "s1 > s2" << std::endl;

}

注 ：如果连续输入string类型，不要使用cin >> s1，因为它遇到空格就会退出建议使用std::getline(cin,s1);

VS 和 G++ 下 string 的结构

VS 下：小字符串优化 SSO

32 位平台下，VS 的 string 大约占 28 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
  • 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

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。还有 size、capacity、指针等字段。

故总共占16+4+4+4=28个字节。

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

struct _Rep_base
{
    size_type M_length;
    size_type M_capacity;
    _Atomic_word M_refcount;
};

这里的写时拷贝在后续章节我们会了解。写时拷贝就是一种按需修改，当你需要拷贝时它才会真的干活，如果你不需要它就会在哪里等着你需要，就像吃完饭有的是吃完就去洗碗，有的是等下次吃的时候再去洗。写时拷贝就是第二种吃的时候在洗碗的表现。

小试牛刀

我们经过上述对C++的string类进行了充分的了解现在我们通过下面的一些编程题巩固一下对string各种接口的使用。

1. 仅仅反转字母

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;

        std::swap(s[begin],s[end]);
        ++begin;
        --end;
    }

    return s;
}

核心思路：定义两个双指针头和尾，跳过非字母，交换字母。

2. 第一个只出现一次的字符

int firstUniqChar(string s)
{
    int buffer[256] = {0};

    for(auto ch : s)
    {
        buffer[ch]++;
    }

    for(int i = 0; i < s.size();++i)
    {
        if(buffer[s[i]] == 1)
        {
            return i;
        }
    }
    
    return -1;
}

思路：统计每个字符出现次数，再按原顺序找第一个次数为 1 的字符。为什么用 256 数组？

字符范围通常是 0~255，直接映射计数，O(n) 时间，实际上不一定就要用256要根据题目给出的范围来定，比如保证了题目只有小写字母就是只需要给数组26的大小即可。

3. 最后一个单词的长度

int main() {
    string s1;
    while(getline(cin,s1))
    {
        size_t pos = s1.rfind(' ');
        cout << s1.size() - pos - 1 << endl;
    }

    return 0;
}

我们在上面了解过为什么这里使用getline，使用rfind是因为可以直接从后往前找最后一个空格，空格后面的部分就是最后一个单词。同样这里的判断条件需要根据题目描述决定。

本章节我们了解了C++的string类，下一章节我们就开始自己去实现属于直接的string类了，为什么要实现string类，因为我要通过实现string类来了解底层到底是怎么回事从而进一步加强我们对该类的了解。

完