【c++】string类的使用及模拟实现

1.我们为什么要学习string类？

1.1 c语言中的字符串

我们先了解一下什么是OOP思想

OOP思想，即面向对象编程（Object-Oriented Programming）的核心思想，主要包括“抽象”、“封装”、“继承”和“多态”四个方面。

  • 抽象：抽象是忽略一个主题中与当前目标无关的那些方面，以便充分地注意与当前目标有关的方面。抽象并不打算了解全部问题，而只是选择其中的一部分，暂时不用部分细节。抽象包括两个方面，一是过程抽象，二是数据抽象。
  • 封装：封装是把客观事物封装成抽象的类，并且类可以把自己的数据和方法只让可信的类或者对象操作，对不可信的进行信息隐藏。封装是面向对象的特征之一，是对象和类概念的主要特性。简单的说，一个类就是一个封装了数据以及操作这些数据的代码的逻辑实体。在一个对象内部，某些代码或某些数据可以是私有的，不能被外界访问。通过这种方式，对象对内部数据提供了不同级别的保护，以防止程序中无关的部分意外的改变或错误的使用对象的私有部分。
  • 继承：继承是一种层次模型，用于表示类型之间的父子关系。它提供了一种明确表达共性的方法。一个新类可以从现有的类中继承，这个过程称为类继承。新类继承了原始类的特性，新类称为子类，原始类称为父类。子类可以从父类中继承方法和实例变量，并且子类可以覆盖父类中的方法或者添加新的方法。
  • 多态：多态性是指允许你将父对象设置成为和一个或更多的他的子对象相等的技术，赋值之后，父对象就可以根据当前赋值给它的子对象的特性以不同的方式运作。简单的说就是用同样的对象引用调用同样的方法但是做了不同的事情。多态性分为参数的多态性和方法的多态性。多态性语言具有灵活、抽象、行为共享、代码共享的优势，可以很好地解决应用程序函数同名问题。

总的来说，OOP思想通过抽象、封装、继承和多态等特性，使得软件开发更加模块化、灵活和易于维护。在面向对象编程中，开发者可以创建对象来模拟真实世界的实体，并通过这些对象之间的交互来实现复杂的软件功能。

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，因此不太符合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 字符串相关的面试题

字符串相加

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

首先介绍一下一个网址，这个网址可以帮助我们去快速学习我们的库中的知识

https://cplusplus.com/

建议多加使用该网站。

下面的内容了解即可~~

  1. 字符串是表示字符序列的类
  2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
  3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
  4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
  5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结：

  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 namespace std; 

2.2 string类的常用接口

 2.2.1 string类对象的常见构造

 

 这是文档中的string类的所有构造函数，但我们只学习其中最常见的即可
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(size_t n, char c)
        string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) （重点）
        拷贝构造函数

 

void Teststring()
{string s1; // 构造空的string类对象s1string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

2.2.2 string类对象的容量操作

 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）

        检测字符串是否为空串，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）

        将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

 注意：

  1. 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()。
  2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
  3. 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。
  4. 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。

2.2.3 string类对象的访问及遍历操作

 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

2.2.4 string类对象的修改操作

 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+= (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
substr
        在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

注意：

  1. 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。
  2. 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。 

2.2.5 string类非成员函数

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。

2.2.6 常见面试题

 仅仅反转字母

找字符串中第一个只出现一次的字符 

字符串中最后一个单词的长度

 验证一个字符串是否回文

字符串相加 

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？ 

 

// 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。

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。

 深拷贝：给每个对象独立分配资源，保证多个对象之间不会因为共享资源而导致多次释放造成程序崩溃问题。

传统版本的string类：

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;
};

 现代版本的string类：

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 string类的模拟实现代码（基本完整版）

namespace bit
{class string{public:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;public:const char* c_str() const{return _str;}string(const char* str = ""):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//s2(s1)string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}//s1 = s3string& operator=(const string& s){char* tmp = new char[s._capacity + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;}//遍历 && capacitysize_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}bool empty() const{return _str == nullptr;}void resize(size_t n, 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;}}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}// modifyvoid push_back(char ch){//扩容2倍if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}void append(const char* str){//扩容size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + _capacity);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}void clear() {_size = 0;_str[_size] = '\0';}/*void swap(string& s){string tmp = s;}*/// 在pos位置上插入字符ch/字符串strvoid insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);//扩容2倍if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}size_t end = _size + 1;while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;}void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){//扩容reserve(_size + len);}size_t end = _size + len;while (end > pos + len - 1){_str[end--] = _str[end - len];}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}// 删除pos位置上的元素void erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}// 返回ch在string中第一次出现的位置size_t find(char ch, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (ch == _str[i])return i;}return npos;}// 返回子串sub在string中第一次出现的位置size_t find(const char* sub, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);const char* p = strstr(_str + pos, sub);if (p){return p - _str;}else{return npos;}}string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos){string sub;if (len >= _size - pos){for (size_t i = pos; i < _size; i++){sub += _str[i];}}else{for (size_t i = pos; i < pos + len; i++){sub += _str[i];}}return sub;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;public:static const int npos;};const int string::npos = -1;bool operator==(const string& s1, const string& s2){int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());return ret == 0;}bool operator<(const string& s1, const string& s2){int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());return ret < 0;}bool operator<=(const string& s1, const string& s2){return (s1 < s2) || (s1 == s2);}bool operator>(const string& s1, const string& s2){return !(s1 <= s2);}bool operator>=(const string& s1, const string& s2){return !(s1 < s2);}bool operator!=(const string& s1, const string& s2){return !(s1 == s2);}ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){for (auto ch : s){out << ch;}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();char ch;ch = in.get();char buff[128];size_t i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[127] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}istream& getline(istream& in, string& s){s.clear();char ch;ch = in.get();char buff[128];size_t i = 0;while (ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == 127){buff[127] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}
}

 

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