【c++】string类---标准库(STL)中的string类

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1.STL(标准库)

1.1 什么是STL

1.2 STL的版本

1.3 STL的六大组件

1.4 STL的重要性

1.5 如何学习STL

6.STL的缺陷

2. 为什么要学习string类

2.1 C语言中的字符串

2.2 OJ中有关字符串的题目

3. 标准库中的string类

3.1 string类(了解)

3.2 string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

2. string类对象的容量操作

3. string类对象的访问及遍历操作

4. string类对象的修改操作

5. string类非成员函数

6. vs和g++下string结构的说明

1.vs下string的结构

2.g++下string的结构

4.string类的模拟实现

4.1 浅拷贝

4.2 深拷贝

4.3 写时拷贝(了解)

4.4 string类模拟实现代码

1 代码内容和测试函数

2 传统版写法的String类

3 现代版写法的String类

1.STL(标准库)

1.1 什么是STL

STL(standard template libaray-标准模板库)：是C++标准库的重要组成部分，不仅是一个可复用的组件库，而且是一个包罗数据结构与算法的软件框架

1.2 STL的版本

原始版本
Alexander Stepanov、Meng Lee 在惠普实验室完成的原始版本，本着开源精神，他们声明允许任何人任意运用、拷贝、修改、传播、商业使用这些代码，无需付费。唯一的条件就是也需要向原始版本一样做开源使用。HP 版本--所有STL实现版本的始祖
P. J. 版本
由P. J. Plauger开发，继承自HP版本，被Windows Visual C++采用，不能公开或修改，缺陷：可读性比较低，符号命名比较怪异
RW版本
由Rouge Wage公司开发，继承自HP版本，被C+ + Builder 采用，不能公开或修改，可读性一般
SGI版本
由Silicon Graphics Computer Systems，Inc公司开发，继承自HP版本。被GCC(Linux)采用，可移植性好，可公开、修改甚至贩卖，从命名风格和编程风格上看，阅读性非常高

1.3 STL的六大组件

1.4 STL的重要性

网上有句话说：“不懂STL，不要说你会C++”。STL是C++中的优秀作品，有了它的陪伴，许多底层的数据结构以及算法都不需要自己重新造轮子，站在前人的肩膀上，健步如飞的快速开发

1.5 如何学习STL

简单总结一下 ：学习 STL 的三个境界： 能用，明理，能扩展

6.STL的缺陷

STL库的更新太慢了。这个得严重吐槽，上一版靠谱是C++98，中间的C++03基本一些修订。C++11出来已经相隔了13年，STL才进一步更新。
STL现在都没有支持线程安全。并发环境下需要我们自己加锁。且锁的粒度是比较大的。
STL极度的追求效率，导致内部比较复杂。比如类型萃取，迭代器萃取。
STL的使用会有代码膨胀的问题，比如使用vector/vector/vector这样会生成多份代码，当然这是模板语法本身导致的

2. 为什么要学习string类

2.1 C语言中的字符串

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
库函数，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

2.2 OJ中有关字符串的题目

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

3. 标准库中的string类

3.1 string类(了解)

string类的文档介绍：https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

字符串是表示字符序列的类
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
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)
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)
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：

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，再添加了一些专门用来操作string的常规操作
string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
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;

3.2 string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

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. string类对象的容量操作

注意：

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()
clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小
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
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

3. string类对象的访问及遍历操作

4. string类对象的修改操作

注意：

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
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

5. string类非成员函数

6. vs和g++下string结构的说明

注意：下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节

1.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中字符串的存储空间：

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 onevalue_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

其次：还有一个size_t字段保存字符串长度，一个

size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量

最后：还有一个指针做一些其他事情

故总共占16+4+4+4=28个字节

2.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
指向堆空间的指针，用来存储字符串

struct _Rep_base
{size_type _M_length;size_type _M_capacity;_Atomic_word _M_refcount;
};

4.string类的模拟实现

4.1 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

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了

4.2 深拷贝

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供

4.3 写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有其他对象在使用该资源

4.4 string类模拟实现代码

根据cplusplus网站中对string的介绍，我们可以手动实现相关的操作函数

string - C++ Reference (cplusplus.com)

作为一名c++的研发工程师，我们要对底层有更深的理解，学习大佬的写法，参考大佬的思维，这对我们以后学习和工作中是有很大帮助的

1 代码内容和测试函数

这是.h文件的内容

#pragma once
//#include <iostream>
#include <assert.h>
namespace dc
{class string{public://指针版本typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;const_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;}iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}//String(char* str = nullptr)//	:_size(strlen(str))//{//	_capacity = _size;//	_str = new char[_capacity + 1];//	strcpy(_str, str);//}//String(const char* str = "\0")string(const char* str = ""):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}string& 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(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const {return _capacity;}//const对象刻可读不可写const char& operator[](size_t pos) const{assert(pos < _size);return _str[pos];}//普通对象可读可写char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}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;}}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 + len > _capacity)//{//	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;}void 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;//while (end >= (int)pos)//{//	_str[end + 1] = _str[end];//	--end;//}//_str[pos] = ch;//_size++;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);//扩容size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}//string tmp;//tmp.reserve(_size + len);//tmp += str;//tmp += _str;//strcpy(_str + pos, tmp.c_str());//_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;}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);}void swap(string& x, string& y){x.swap(y);}size_t find(char ch, size_t pos = 0) {for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch)return i;}return npos;}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 == npos || 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;}void clear(){_size = 0;_str[_size] = '\0';}//bool operator==(const string& s)//{//	int ret = strcmp(_str, s._str);//	return ret == 0;//}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;public:static const int npos;};const int string::npos = -1;//比较大小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;//in >> 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;}//s += ch;//in >> ch;ch = in.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}istream& getline(istream& in, string& s){s.clear();char ch;//in >> ch;ch = in.get();while (ch != '\n'){s += ch;//in >> ch;ch = in.get();}return in;}void test_string(){string s1;string s2("hello world");const string s3("111111");cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;//String s1("hello world");//std::string s1("hello world");for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++){cout << s2[i] << " ";}cout << endl;//for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)//{//	s2[i]++;//}//cout << endl;for (size_t i = 0; i < s3.size(); i++){cout << s3[i] << " ";}cout << endl;}void test_string2(){string s1("hello world");string::iterator it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){*it1 -= 3;cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;for (auto ch : s1){cout << ch << " ";}cout << endl;}void test_string3(){string s1("hello world");string::const_iterator it1 = s1.begin();while (it1 != s1.end()){//*it1 -= 3;cout << *it1 << " ";++it1;}cout << endl;for (auto ch : s1){cout << ch << " ";}cout << endl;}void test_string4(){string s1;s1.push_back('1');s1.push_back('2');s1.append("000");cout << s1.c_str() << endl;//for (auto ch : s1)//{//	cout << ch << " ";//}//cout << endl;s1 += 'x';cout << s1.c_str() << endl;s1 += "aaa";cout << s1.c_str() << endl;}void test_string5(){string s1("123456");cout << s1.size() << endl;//s1.insert(0, '0');//s1.insert(s1.size(), '7');//cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(0, "xx");cout << s1.size() << endl;s1.insert(s1.size(), "888");cout << s1.size() << endl;cout << s1.capacity() << endl;cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(1, "yy");cout << s1.c_str() << endl;}void test_string6(){string s1("0123456789");//s1.erase(0, 1);s1.erase(3, 3);s1.erase(3);cout << s1.c_str() << endl;}void test_string7(){string s1("hello world");string s2(s1);string s3;s3 = s1;s1.resize(20);cout << s1.c_str() << endl;s1.resize(5);cout << s1.c_str() << endl;s1.resize(20, 'x');cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;cout << s3.c_str() << endl;}void test_string8(){string s1("hello world");string s2("xxxxx xxxxx");s1.swap(s2);cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;}void test_string9(){string s1("hello world");cout << s1.find('l', 0) << endl;cout << s1.find('l', 5) << endl;//char ch[] = "wor";//cout << s1.find(ch) << endl;cout << s1.find("world",0) << endl;cout << s1.substr(5).c_str() << endl;cout << s1.substr(5, 2).c_str() << endl;}void test_string10(){string s1("123456");string s2("123456");cout << (s1 == s2) << endl;cout << ("123456" == s1) << endl;cout << (s1 == "123456") << endl;cout << s1 << endl;cin >> s1 >> s2;cout << s1;cout << s2;}void test_string11(){string s1;cout << s1 << endl;getline(cin, s1);cout << s1 << endl;cout << s1.capacity() << endl;}
}

这是几个测试函数

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
#include"Class_String_2.h"
//using namespace dc;
int main()
{//String s1();//String s1("hello word");//dc::test_string();//dc::test_string2();//dc::test_string3();//dc::test_string4();//dc::test_string5();//dc::test_string6();//dc::test_string7();//cout << typeid(std::string::iterator).name() << endl;//cout << typeid(dc::string::iterator).name() << endl;//dc::test_string8();//dc::test_string9();//dc::test_string10();dc::test_string11();}

2 传统版写法的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;
};

3 现代版写法的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;
};