【C++杂货铺】详解string

🌈前言🌈

📁 为什么学习string

📁 认识string（了解）

📁 string的常用接口

📂 构造函数

📂 string类对象的容量操作

📂 string类对象的访问以及遍历操作编辑

📂 string类对象的修改操作

📁 模拟实现string

📁 总结

🌈前言🌈

欢迎观看本期【C++杂货铺】，本期内容将全面string，包含了解string，如何操作string，最后会模拟实现string。

因为计算机行业的不断发展，许多程序员不仅仅要掌握string这些容器的使用方法，有的公司会要求阅读底层源码，模拟实现这些容器，所以本期内容将会从零开始，带大家了解使用string。

当然，本篇内容的参考文献主要来源于网站：<string> - C++ Reference (cplusplus.com)

如果，你只想掌握string的具体使用方法，可以阅读下面这篇文章：

【C++杂货铺】详解string的接口-CSDN博客

📁 为什么学习string

在C语言中，字符串是以‘\0’结尾的一些字符的结合，为了操作方便，C标准库提供了一些str系列的库函数，但这些库函数与字符串是分开的，底层空间需要用户自己管理，可能造成越界访问等。

在日常生活中，为了简单，方便，快捷，基本都会使用string类，很少会有人去使用C库中的字符串操作函数。

📁 认识string（了解）

string是表示字符串的字符串类。该类的接口与常规容器的接口基本相同，在添加了一系列专门用来操作string的常规操作。

string是basic_string模板类的一个别名，用char来实例化basic_string模板类。

string不能操作多字节或者边长字符的序列。

在使用string时，必须包括#include头文件以及using namespace std;

📁 string的常用接口

string接口有上百种，这里我们只介绍常用的，以及需要了解的。

📂 构造函数

//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 string* s)  重点         用C_string来构造string类对象
string(size_t n,char c)               string类对象中把包含了n个字符c
string(const string& s) 重点          拷贝构造

string s1;                //构造空的string类对象s1string s2("hello string");    //用C风格字符串构造string类对象s2string s3(s2);            //拷贝构造s3

📂 string类对象的容量操作

1. size()

size函数求的是字符串中元素的个数，不包含‘\0’。

//打印 5
string s("hello");
cout<<s.size()<<endl;

其中length 和 size作用都是一样的，都是求有效字符串的字符长度，不包含 ‘\0’。size和length方法底层实现原理完全相同。引入size的原因是为了和其他容器接口保持一致。基本使用size。

2. reserve()

reverse的作用就是为字符串预留空间，应用场景就是已知数据元素有多少，可以减少扩容的操作，减少消耗。

但reserve()相当于手动扩容，但要注意的是，扩容量不能小于现有的容量。

    string  s;size_t cnt = s.capacity();cout << cnt << endl;cout<<"change:" << endl;for (int i = 0;i < 100;i++){s.push_back('a');if (cnt != s.capacity()){cout << s.capacity() << endl;cnt = s.capacity();}}

以上是没有reserve的对象，第一次扩容两倍，之后是扩容1.5倍每次（vs是1.5倍扩容，Linux下按照2倍扩容）。

    string  s;s.reserve(100);size_t cnt = s.capacity();cout << cnt << endl;cout<<"change:" << endl;for (int i = 0;i < 100;i++){s.push_back('a');if (cnt != s.capacity()){cnt = s.capacity();cout << cnt << endl;}}

上图可知reseve的结果并不一定是准确的扩容数，可能会增加一些。

3. resize()

resiz的功能是将有效字符的个数改成n；如果n大于有效字符个数，即n>size，则会插入；如果空间不够，即n>capacity，则会扩容+插入。当然传参没有char c则没有插入。

📂 string类对象的访问以及遍历操作

1. operator[ ]

string类对象支持下标访问，[ ]支持读写pos位置的数据；const修饰为只读，不能修改。

//非const的对象使用[]，可读可写
string s1("hello world");for(int i =0;i<s1.size();i++)
{s1[i] = 'a';
}for(int i=0;i<s1.size();i++)
{cout<<s1[i]<<' '<<endl;
}//const对象，只读
const string s2("hello world");
for(int i =0;i<s2.size();i++)
{cout<<s2[i]<<' '<<endl;
}

2. 迭代器 begin + end

迭代器iterator，容器中类似与指针的东西，通过迭代器可以访问容器中的数据，使用方法也类似于指针。迭代器可能是指针，也可能不是。

begin指向容器中第一个数据的位置；end指向容器中最后一个有效字符的下一个位置，即‘\0’（ '\0'不算有效字符）。

string  s("hello world");for (string::iterator it = s.begin();it != s.end();it++)
{cout << *it << ' ';
}//打印 h e l l o  w o r l d

3. 迭代器 rbegin + rend

rbegin就是reverse_begin的缩写，rbegin和rend主要用于逆序遍历。反向迭代器则是reverse_iterator.

string s("hello world");
for (string::reverse_iterator it = s.rbegin();it != s.rend();it++)
{cout << *it << ' ';
}

4. 范围for

范围for的底层就是迭代器，将s的迭代器赋值给e(auto类型是编译器自动推导的数据类型)。

string  s("hello world");
for (auto e : s)
{cout << e << ' ';
}
cout << endl;

📂 string类对象的修改操作

1. push_back()

尾部插入一个字符

//打印 hello w
string s("hello ");s.push_back('w');cout<<s<<endl;

2. append()

尾部插入一个字符串。

string s1("hello ");
s.append("world");
//打印 hello  worldstring s2("hello ");
s2.append(10, 'x');
//打印helloxxxxxxxxxxstring s3("hello ");
s3.append(s1.begin(),s1.end());
//打印hello hello world

3. operator+=

尾部插入一个字符或者字符串。

string s1("hello ");
s1 += "world";string s2("aaaaa");
s2 += ' ';string s3("bbbbb");
s3 += s2;

4. insert()

前面之前插入字符或者字符串。

5. erase()

删除从pos位置开始，len个字符，如果len没有传参赋初值，npos就代表着有多少删多少。

npos是string里面的一个静态成员变量static const size_t npos = -1; size_t是无符号整数，所以-1代表整数最大值。

从pos位置开始，删除len个字符。或者从first迭代器开始，到last迭代器结束的字符删除。

string s("a bcd");
s.erase(0,1);
cout << s << endl;
//打印 bcd

6. replace()

将字符替换。

string s1("a bcd");
s1.replace(1,1,"a");
cout << s1 << endl;
//打印aabcstring s2("a bcd");
s2.replace(1,1,1,'a');
cout << s2 << endl;
//打印aabc

insert，earse，replace等函数尽量少用，因为涉及数据元素的移动，效率太低。

7. c_str()

因为C++是要兼容C语言的，在C语言中，表示字符串使用char* 来表示的，所以C语言库中许多操作使用的是char* 来操作的。而在C++中，我们大多数使用的是string，那么如何将string类型转为C语言字符串类型呢？

c_str()的作用就是从string中返回C格式字符串。

string filename("test.txt");
/*
FILE* file = fopen(filename,"r");
filename是string类型，而fopen函数的第一个参数类型是C格式字符串。
*/
FILE* file = fopen(filename.c_str(),"r");

8. find()

find()作用就是查找字符或者字符串，从pos位置开始。默认情况下，pos位置是从0开始。

rfind()作用与find几乎相同，不过是从字符串尾开始查找。

9. sub_str()

在str中从pos位置开始，截取len个字符，将其作为字符串返回。如果len没有给或者大于npos（-1）,含义则是从pos位置截取到字符串尾。

#include <iostream>
#include <string>int main ()
{std::string str="We think in generalities, but we live in details.";// (quoting Alfred N. Whitehead)std::string str2 = str.substr (3,5);     // "think"std::size_t pos = str.find("live");      // position of "live" in strstd::string str3 = str.substr (pos);     // get from "live" to the endstd::cout << str2 << ' ' << str3 << '\n';return 0;
}

📁 模拟实现string

下面会有大量的string接口的模拟实现，模拟实现是为了更好的从里层理解string，使用string。

📂 拓展知识 : 编码

常见的编码有：ASCII编码，GBK编码，UTF编码。

所谓的编码，就是文字在计算机中的存储和表示。我们通过编码将计算机0 1 表示成日常生活中的文字。

但随着越来越多国家的加入，简单的ASCII编码已经不能满足需求。所以有了UTF编码，UTF编码有UTF-8,UTG-16（2B）,UTF-32（4B），它们主要的区别就是UTF-8是可变字节，utf-16和utf-32是不变字节。

我们常用的string的底层就是使用utf-8的编码方式的char实例化的。

模拟实现string类，并完成测试namespace bit{class string{friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s);friend istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s);public:typedef char* iterator;public:string(const char* str = "")；string(const string& s)；string& operator=(const string &s)；~string()；//// iteratoriterator begin()；iterator end()；/// modifyvoid push_back(char c);string& operator+=(char c);void append(const char* str);string& operator+=(const char* str);void clear();void swap(string& s);const char* c_str()const;/// capacitysize_t size()constsize_t capacity()constbool empty()constvoid resize(size_t n, char c = '\0');void reserve(size_t n);/// accesschar& operator[](size_t index);const char& operator[](size_t index)const;///relational operatorsbool operator<(const string& s);bool operator<=(const string& s);bool operator>(const string& s);bool operator>=(const string& s);bool operator==(const string& s);bool operator!=(const string& s);// 返回c在string中第一次出现的位置size_t find (char c, size_t pos = 0) const;// 返回子串s在string中第一次出现的位置size_t find (const char* s, size_t pos = 0) const;// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置string& insert(size_t pos, char c);string& insert(size_t pos, const char* str);// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置string& erase(size_t pos, size_t len);private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;}}；

📂 默认成员函数的模拟实现

//构造函数string(const char* str = ""):_size(strlen(str)){_str = new char[_size + 1];strcpy(_str, str);_capacity = _size;}//拷贝构造函数string(const string& s){string temp(s._str);swap(temp);}//赋值重载string& operator=(string temp){swap(temp);return *this;}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}

📂 iterator模拟实现

        iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;}

📂 insert 和 erase的模拟实现

//再字符串的pos位置插入字符string& insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0? 4:2 * _capacity);}size_t end = _size + 1;while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[end] = ch;_size++;return *this;}string& insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}size_t end = _size + len;while (end > pos+len-1){_str[end] = _str[end - len];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;}//删除pos位置后len个元素string& erase(size_t pos=0, size_t len=npos){assert(pos < _size);if (len >= _size - pos || len == npos){_str[pos] = '\0';_size = pos;return *this;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;return *this;}}

📂 modify模拟实现

//modifyvoid swap(string& s){std::swap(this->_str, s._str);std::swap(this->_size, s._size);std::swap(this->_capacity, s._capacity);}const char* c_str() const{return _str;}void clear(){_size = 0;_str[_size] = '\0';}void push_back(char ch){//扩容2倍/*if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';*/insert(_size, ch);}void append(const char* str){//扩容/*size_t len = strlen(str);if(_size >= _capacity - len){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;*/insert(_size, str);}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}

📂 capacity模拟实现

//capacitysize_t size() const{return _size;}size_t capacity() const {return _capacity;}bool empty() const{return _size == 0;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* temp = new char[n + 1];strcpy(temp, _str);delete[] _str;_str = temp;_capacity = n;}}void resize(size_t n, const char ch = '\0'){if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);for (size_t i = _size;i < n;i++){_str[i] = ch;}_str[n] = '\0';_size = n;}}

📂 relational operators的模拟实现

//relational operatorsbool operator<(const string& s){return strcmp(this->c_str(), s.c_str()) < 0;}bool operator<=(const string& s){return *this < s  || *this == s;}bool operator>(const string& s){return !(*this <= s);}bool operator>=(const string& s){return !(*this < s);}bool operator==(const string& s){return strcmp(this->c_str(), s.c_str()) == 0;}bool operator!=(const string& s){return !(*this == s);}

📂 find 的模拟实现

//返回字符c在字符串中出现的第一次位置size_t find(char ch, int pos = 0){assert(pos < _size);for (size_t i = pos;i < _size;i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return npos;}//返回子串s在字符串中出现的第一次位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0){assert(pos < _size);char* ps = strstr(_str + pos, s);if (ps != nullptr){return ps - _str;}else{return npos;}}

📂 substr的模拟实现

string substr(size_t pos=0, size_t len=npos){string temp;if (len == npos || _size - pos < len){for (size_t i = pos;i < _size;i++){temp += _str[i];}}else{for (size_t i = pos;i < pos + len;i++){temp += _str[i];}}return temp;}