【C++】string学习 — 手搓string类项目

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手搓string项目

1 string类介绍
2 功能描述
3 代码实现
- 3.0 基础框架
- 3.1 构造函数和析构函数
- 3.2 流操作符重载和尾插扩容
- 3.4 运算符重载
- 3.5 实用功能
- 3.6 迭代器模拟
总结
Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读！！！
下一篇文章见！！！

1 string类介绍

C++ 的 string 类是 C++ 标准库中提供的一个用于处理字符串的类。它在 C++ 的历史中扮演了重要的角色，为字符串处理提供了更加方便、高效的方法。

在 C++ 的早期版本中，字符串处理并不是一个简单的事情。在 C++ 的最初版本中，字符串被处理为 char* 类型的指针，这使得字符串处理变得非常复杂，容易出错。例如，简单的字符串连接操作都需要手动管理内存，这无疑增加了编程的难度。
为了解决这个问题，C++98 引入了头文件，其中包含了 string 类。这个类的引入，可以说是一场革命，因为它提供了一个安全、方便、可移植的字符串处理方式。也为以后STL的出现埋下了伏笔…

在现实生活中，string也有着大量的应用：

社交媒体：当你在社交媒体上发布状态或评论时，你输入的文字内容会存储在一个 string 变量中。例如，你可能会写一条消息 like “I had a great day at the park!”，这条消息就是存储在一个 string 变量中的。
电子邮件：当你写一封电子邮件时，正文内容、主题行和收件人地址等都可能是 string 类型的。例如，你可能会写一封主题为 “Meeting Invitation” 的邮件，内容为 “Dear John, please join us for a meeting at 10am tomorrow.”，这些内容都是以 string 形式存储的。
购物车：在在线购物时，你的购物车中商品的名称、价格和数量等信息通常会存储在 string 类型的变量中。例如，你的购物车中可能有 “T-shirt”、" Jeans" 和 “Shoes” 等商品，这些商品名称都是以 string 形式存储的。
等等等…

这里我们不管他的底层：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
我们通过类与对象的相关知识来尝试完成 string项目！我们将通过先描述，在落地的原则开始，只有明白了功能模块，才能流畅的写出string。

2 功能描述

首先我们必须明白我们需要什么功能，所以我们可以熟悉一下官方的常用接口：string使用手册
当然，从实际出发不失为一种更好的选择，想象一下使用场景：

第一，因为本质是字符串，所以我们需要成员函数 char* _str,并且要做到很好控制的话还需要数据大小size_t _size 和容量 size_t capacity。
第二，构造函数，析构函数必须要有的，而且构造函数需要支持多种构造方法(常量字符串，拷贝构造，空类构造)。
第三，我们一定要支持输入字符串来构造string类和输出string，这就需要做到<< >>的重载了。
第亖，要想实现输入>>的重载，就要辅助实现push_back尾插函数，实现了尾插那 +=的操作重载也就完成了。
第五，我们还需要通过对比大小的一系列操作符(== <= >= > < !=)的重载。
第六，根据字符串输入的特性，为了我们可以从一行中正确读取数据，我们还需getline函数来实现功能。
第七，回到最基础的功能增删查改，所以我们可以增加指定位置插入，指定位置删除，查找字符串等功能。
第八，对于C++新增特性迭代器，我们也可以用指针模拟实现一下。
第九，既然支持了迭代器，那最原始的小标操作也要支持一下。

以上就是对一个字符串类可能需要的功能的全面总结，通过实现这些功能，我们可以创建出一个既实用又灵活的字符串操作工具
接下来，我们将根据之前列出的功能需求，逐步实施我们的字符串模拟项目。在编写代码的过程中，我们必须保持细心和谨慎，这样可以避免后期出现不必要的调试困扰。

3 代码实现

在实现这个项目的过程中，我们需要注意以下几点：

保持代码的清晰和可读性（重中之重）：在编写代码时，要注意命名规范、代码结构和注释，使得其他人能够轻松理解我们的代码。
模块化设计：将代码分为多个模块，每个模块负责一个特定的功能。这样可以降低代码的复杂度，也便于后期的维护和扩展。
充分测试（一定一定！！！）：在代码实现完成后，要进行充分的测试，确保每个功能的正确性和稳定性。我们可以使用单元测试和集成测试来验证代码的质量。
优化性能：在保证功能实现的基础上，尽量优化代码的性能。我们可以关注一些常见的性能瓶颈，如内存分配、字符串拼接等，并寻求优化的方法。

总之，在实现这个项目的过程中，我们要注重代码的质量、可读性和可维护性。只有这样，我们才能构建出一个高效、稳定且易于扩展的字符串模拟类。接下来，让我们开始编写代码吧！

3.0 基础框架

我们先根据功能写一下功能框架，方便书写：

#pragma once#include<iostream>
#include<string.h>
#include<assert.h>using namespace std;namespace bit {class string {public://默认结尾static const int npos;//构造函数string() :{}string(const char* str = "")	{}string(const string& s = "") {}//析构函数~string() {}//取等操作string& operator=(string s) {}//迭代器模拟char* begin() {}char* end() {}//逆转迭代器char* rbegin() {}char* rend() {}//交换void swap(string& s) {}//从pos位置开始搜索寻找ch第一次出现的位置size_t find(const char ch, size_t pos = 0) {}//从pos位置开始搜索寻找 字符串s 第一次出现的位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0) {}//在pos位置插入字符void insert(const char ch, size_t pos = 0) {}//在pos位置插入字符串void insert(const char* s, size_t pos = 0) {}//返回成员变量size_t size() {}size_t capacity() {}//扩容操作void reserve(size_t n){}//重置数据大小void resize(size_t n , char ch = '\0') {}//在pos位置后消除 n 个元素void erase(size_t pos, size_t n = npos) {}//尾插void push_back(const char* s) {}void push_back(char s) {}//清空void clear() {}//+=操作符重载void operator+= (const char* s) {}void operator+= (char s) {}//运算符重载friend ostream& operator<< (ostream& out, const string& str);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) {}bool operator!=(const string& s) {}
//私有成员函数private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};//流操作符重载ostream& operator<< (ostream& out, const bit::string& str) {}istream& operator>> (istream& in,  bit::string& str) {}//获取一行istream& getline(istream& in, string& s) {}//结尾赋值const int string::npos = -1;}

框架写好，我们就可以开始逐个实现，一定注意其中的逻辑，不要刻意去实现一个功能，要联系其他功能，看看是否存在联系，进而通过调用函数简便我们的实现过程。

3.1 构造函数和析构函数

构造函数我们使用全却省，无参数默认，拷贝构造三个：这里注意初始化列表的使用
因为涉及了指针操作，所以必要的初始化是十分需要的

//空串
string() :
_str(new char[1]),
_size(0),
_capacity(0)
{_str[0] = '\0';
}
//常量字符串构造
string(const char* str = ""):_str(new char[strlen(str) + 1]),_size(strlen(str)),_capacity(strlen(str) + 1)
{
//调用函数简单完成strcpy(_str, str);
}
//拷贝构造
//这里使用到了 = 重载，所以它测试可以等到实现操作符重载之后在实现。
string(const string& s = "") :_str(new char[s._capacity + 1]),_size(0),_capacity(0)
{strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}

析构函数就简单的多：正常释放空间即可

~string() {delete[] _str;_str = nullptr;_size = 0;_capacity = 0;}

再来增加一些获取私有变量的函数：

//返回成员变量size_t size() {return _size;}size_t capacity() {return _capacity;}

3.2 流操作符重载和尾插扩容

接下来我们实现一下流操作符，方便我们可以快速进行一下测试。
对于流操作我们应该写在全局，这就可以正常的传入参数，不然就会报错哦。

//简单打印即可，注意设置友元哦
ostream& operator<< (ostream& out, const bit::string& str) {out << str._str;return out;
}
//这里是优化版本，可以避免频繁开空间，优化性能
istream& operator>> (istream& in,  bit::string& str) {str.clear();char* buff = new char[128];char ch;ch = in.get();int count = 0;//先存入中间数组再存入string中while (ch != '\n' && ch != ' ') {buff[count++] = ch;ch = in.get();if (count >= 127) {buff[127] = '\0';str.push_back(buff);count = 0;}}buff[count] = '\0';str.push_back(buff);return in;
}

这里我们发现我们需要实现一下尾插操作才好进行流输入操作。看，这样一步一步我们就可以完成所需功能。
尾插 push_back

	//插入字符串
void push_back(const char* s) {//先扩容！！！while (_size + strlen(s) >= _capacity) {reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}//然后依次读入即可for (size_t i = 0; i < strlen(s); i++) {_str[_size++] = s[i];}_str[_size] = '\0';}//插入单个字符
void push_back(char s) {while (_size + 1 >= _capacity) {reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size++] = s;_str[_size] = '\0';
}

可以想到，要实现尾插，扩容是必不可少的！！
再补充一个更改数据大小的函数。
扩容 reserve

		void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}//重置数据大小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;}}

这样我们就初步完成了局部的可执行程序。接下来我们进行第一次测试来看是否能够成功运行：

void test_string1(){bit::string s1("123 456");bit::string s2("");cout << "\n-------流输出测试--------\n";cout << s1 << endl;cout << s1.size() << ' ' << s1.capacity();s1.push_back("abcdefg");cout << "\n-------尾插测试--------\n";cout << s1 << endl;cout << s1.size() << ' ' << s1.capacity();cout << "\n-------流输入测试--------\n";cin >> s2;cout << s2 << endl;cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity();
}

来看效果：
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这样我们初步就完成了我们基础功能。接下来我们继续实现！

3.4 运算符重载

这部分比较简单：
实现两个之后，就可以来回使用完成六个函数的书写！这是运算逻辑的体现，让我们的代码变得简洁明朗，减少冗杂，增加代码的可读性。

bool operator==(const string& s) {if (strcmp(_str, s._str) == 0) return true;else return false;}bool operator>(const string& s) {if (strcmp(_str, s._str) > 0) return true;else return false;}bool operator>=(const string& s) {return _str == s._str || _str > s._str;}bool operator<=(const string& s) {return !(_str > s._str);}bool operator<(const string& s) {return !(_str >= s._str);}bool operator!=(const string& s) {return !(_str == s._str);}string& operator=(string s) {//现代写法	//swap(tmp);char* tmp = new char[s._capacity + 1];strcpy(tmp, s._str);delete[] _str;_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;return *this;}//交换void swap(string& s) {std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}

然后我们来完成十分常用的+=操作，不用多说，这个底层逻辑和push_back是一致的，所以在底层直接调用即可，这样也变向保证了代码的鲁棒性，只需对一个功能做出维护，既可以扩展出其他接口。
注意这里面的 = 重载，现代写法更加简单只需一步 swap即可。这十分巧妙，通过调用不同函数就帮助我们改善了代码的复杂性。

//提供两个重载，让其使用体验更好
void operator+= (const char* s) {push_back(s);}
void operator+= (char ch) {push_back(ch);}

然后，再来测试一下，保证我们的功能可以正常使用，一定一定要测试哦！测试十分重要，千万不能忽视！！！小心驶得万年船！

void test_string2(){bit::string s1("123 456");bit::string s2("123");cout<< "-----------比较测试--------------\n" ;cout << (s2 == s1) << endl;cout << (s2 < s1) << endl;cout << (s2 > s1) << endl;cout << (s2 <= s1) << endl;cout << (s2 >= s1) << endl;cout << (s2 != s1) << endl;cout<< "-----------+=测试--------------\n" ;bit::string s3("123456789");s3 += "abc";char ch = '1';s3 += ch;cout << s3;}

我们进行了每个操作符的测试和+= 单个字符与字符串的测试。正常通过测试，返回的0 1 值符合我们的要求。
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3.5 实用功能

上述我们已经实现了基本的功能，接下来我们要加入一些比较实用的功能，比如查找，指定位置插入，指定位置删除，获取一行的字符。这些函数大大加强了string 的可操作性，让string更加使用，与普通的 char 类型拉开差距!
注意我们都要提供两种重载，保证单个字符和字符串都可以正常进行操作

//指定位置删除
void erase(size_t pos, size_t n = npos) {assert(pos < _size);if (n == npos || n >= _size - pos) {_str[pos] = '\0';_size = pos;}else {strcpy(_str + pos, _str + pos + n);_size -= n;}}//在pos位置插入字符串void insert(const char* s, size_t pos = 0) {assert(pos < _size);int len = strlen(s);//保证容量足够不然会发生报错哦while (_size + len >= _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}//挪动数据size_t end = _size + len;while (end > pos + len - 1 ) {_str[end] = _str[end - len];end--;}//拷贝到指定位置，不要拷贝‘\0’strncpy(_str + pos, s, len);_str[_size + strlen(s)] = '\0';_size += strlen(s);}//在pos位置插入字符void insert(const char ch, size_t pos = 0) {assert(pos < _size);while (_size +1 >= _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;}//从pos位置开始搜索寻找ch第一次出现的位置size_t find(const char ch, size_t pos = 0) {assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; i++) {if (_str[i] == ch) return i;}return npos;}//从pos位置开始搜索寻找 字符串s 第一次出现的位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0) {assert(pos < _size);const char* p = strstr(_str, s);if (p) return p - _str;else return npos;}

写入了这么多功能，快来进行测试一波！

void test_string3() {bit::string s1("123 456 abc");cout << "---------find测试-------------\n";cout << s1.find('1') << endl;cout << s1.find("457") << endl;cout << "---------insert测试-------------\n";bit::string s2("123");s1.insert("jkl465798", 0);cout << s1 << endl;cout << "---------resize测试-------------\n";cout << s2 << endl;cout << s2.capacity() << endl;s1.resize(4);cout << s2 << endl;cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl;s1.resize(10, 'c');cout << s2 << endl;cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl;cout << "---------erase测试-------------\n";s2.erase(2, 5);cout << s2 << endl;cout << s2.size() << ' ' << s2.capacity() << endl;}

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我们成功完成了功能的扩展，实现了增删查改的重要部分，这下子我们的string就完成了绝大部分，接下来在补充上迭代器就更好了。

3.6 迭代器模拟

C++中的迭代器是用于访问容器元素的一种抽象指针。迭代器具有五个基本特性：

迭代器类型：迭代器是一个实现了迭代器协议的对象，它有一个类型，该类型指示它所指向的元素的类型。例如，在std::string中，迭代器类型是std::string::iterator。
解引用：迭代器可以解引用，这意味着可以通过解引用迭代器来访问它所指向的元素。在std::string中，解引用迭代器可以访问字符串中的字符。
箭头操作符：大多数迭代器都支持箭头操作符->，用于访问迭代器所指向对象的成员。在std::string中，箭头操作符可以用于访问字符串中字符的成员函数，如std::string::iterator>std::string::value_type::operatorchar()。
增加和减少：迭代器可以通过增加（++)和减少（–）操作符来遍历容器。在std::string中，增加迭代器会移动到下一个字符，减少迭代器会移动到前一个字符。
比较：迭代器可以比较，以确定它们是否指向同一个元素或是否在容器中相邻。在std::string中，两个迭代器可以通过比较操作符（==、!=）来比较它们是否相等，或者通过比较操作符（<、<=、>、>=）来比较它们的相对位置。

所以我们可以简单通过指针来模拟实现一下，让其可以初步使用即可。

		//迭代器模拟char* begin() {return _str;}char* end() {return _str + _size;}char* rbegin() {return _str + _size;}char* rend() {return _str;}

来进行测试一下：

void test_string4(){bit::string s1("123456789");for (auto ch : s1) {cout << ch << ' ';}reverse(s1.begin(), s1.end());cout << endl;for (auto ch : s1) {cout << ch << ' ';}}