探索C嘎嘎的奇妙世界:第十四关---STL(string的模拟实现)

1. string类的模拟实现

1.1 经典的string类问题

        上一关已经对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

1.2 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。

1.3 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。

2.string各类主要接口的模拟实现

2.1 迭代器

	string.h:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin();//迭代器起始位置iterator end();//迭代器const_iterator begin()const;const_iterator end()const;string.cpp:string::iterator string::begin(){return _str;}string::iterator string::end(){return _str + _size;}string::const_iterator string::begin()const{return _str;}string::const_iterator string::end()const{return _str + _size;}

        上述代码中定义了一个类`string`，该类具有`begin()`和`end()`函数，用于返回迭代器对象。

        迭代器是一种用于遍历容器元素的对象。迭代器将容器中的元素组织起来，以便可以按顺序访问它们。

        在`string.h`中，`typedef char* iterator;`和`typedef const char* const_iterator;`定义了两种迭代器类型，分别用于可变和常量的字符串。

        `string::begin()`和`string::end()`函数分别返回迭代器的起始位置和结束位置。

        在`string.cpp`中，`string::begin()`和`string::end()`函数被实现。`string::begin()`函数返回字符串的起始位置，即指向第一个字符的指针。`string::end()`函数返回字符串的结束位置，即指向最后一个字符后面的位置的指针。

        `string::begin()const`和`string::end()const`函数是常量成员函数，用于返回常量字符串的迭代器的起始位置和结束位置。

        通过使用这些迭代器，可以在循环中遍历字符串中的每个字符，并执行相应的操作。

2.2 size、c_str、运算符[ ]的重载、构造函数以及析构函数

    string.h:string(const char* str = "");~string();size_t size()const;const char* c_str()const;char& operator[](size_t pos);const char& operator[](size_t pos)const;string.cpp:string::string(const char*str):_size(strlen(str)){_str=new char[_size+1];_capacity = _size;strcpy(_str, str);}string::~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_capacity = _size = 0;}size_t string::size()const{return _size;}const char* string:: c_str()const{return _str;}char& string:: operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}const char& string:: operator[](size_t pos)const{assert(pos < _size);return _str[pos];}

        上述代码中定义了一个类`string`，该类包含了几个常用的字符串相关函数。

        在`string.h`中，构造函数`string(const char* str = "")`用于创建一个字符串对象。析构函数`~string()`用于销毁字符串对象并释放内存。`size_t size()const`函数用于返回字符串的长度`const char* c_str()const`函数用于返回字符串的C风格字符数组。

        `char& operator[](size_t pos)`和`const char& operator[](size_t pos)const`函数分别用于访问字符串中指定位置的字符。`operator[]`函数设计为“下标运算符重载”，允许使用类似数组下标的方式来访问字符串中的字符。

        在`string.cpp`中，构造函数`string::string(const char* str)`用于根据传入的C风格字符串创建一个新的字符串对象。函数内部首先计算传入的字符串的长度，然后动态分配空间并复制字符串内容。析构函数`string::~string()`用于释放字符串所占用的内存。`size_t string::size()const`函数返回字符串的长度。`const char* string::c_str()const`函数返回指向字符串的C风格字符数组的指针。

        `char& string::operator[](size_t pos)`和`const char& string::operator[](size_t pos)const`函数实现了通过下标访问字符串中特定位置字符的功能。函数内部使用断言`assert`来确保访问的位置在有效范围内。

        通过使用这些函数，可以方便地创建、访问和操作字符串对象。

2.3 reserve、push_back、append以及运算符+=重载

    string.h:void reserve(size_t n);void push_back(char ch);void append(const char* str);string& operator+=(char ch);string& operator+=(const char*str);string.cpp:void string::reserve(size_t n)//保留空间{if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}void string::push_back(char ch)//尾插字符{if (_size == _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;_str[_size + 1] = '\0';_size++;}void string::append(const char* str)//尾插字符串{size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& string::operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& string::operator+=(const char* str){append(str);return *this;}

        在上述代码中定义了一些用于修改字符串对象的函数。

        在`string.h`中，`void reserve(size_t n)`函数用于保留至少能容纳n个字符的空间。`void push_back(char ch)`函数在字符串的末尾插入一个字符。`void append(const char* str)`函数在字符串的末尾插入一个C风格的字符数组。`string& operator+=(char ch)`函数用于在字符串末尾添加一个字符，并返回修改后的字符串对象的引用。`string& operator+=(const char* str)`函数用于在字符串末尾添加一个C风格的字符数组，并返回修改后的字符串对象的引用。

        在`string.cpp`中，`void string::reserve(size_t n)`函数用于在需要的情况下扩展字符串的容量。如果n大于当前容量，它将创建一个新的更大的字符数组，并将原字符串的内容复制到新的数组中。然后释放原来的字符数组，并将指针指向新的数组，同时更新容量变量。`void string::push_back(char ch)`函数在字符串的末尾插入一个字符。如果字符串当前的大小已经等于容量，则先扩展容量，然后插入字符。`void string::append(const char* str)`函数在字符串的末尾插入一个C风格的字符数组。如果插入后的长度超过容量，则先扩展容量，然后将字符数组的内容复制到字符串中。`string& string::operator+=(char ch)`函数利用`push_back()`函数在字符串末尾添加一个字符，并返回修改后的字符串对象的引用。`string& string::operator+=(const char* str)`函数利用`append()`函数将C风格的字符数组添加到字符串末尾，并返回修改后的字符串对象的引用。

        通过使用这些函数，可以方便地修改字符串对象，包括扩展容量、在末尾插入字符和字符数组等操作。

2.4 insert、erase以及find

	string.h:void insert(size_t pos, char ch);void insert(size_t pos, const char*str);void erase(size_t pos=0, size_t len = npos);size_t find(char ch, size_t pos=0);size_t find(const char*str, size_t pos=0); string.cpp:void string::insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;reserve(newcapacity);}//memmove(_str + pos + 1, _str + pos, sizeof(char) * (_size - pos + 1));//法一size_t end = _size+1;//法二while (end > pos){_str[end] = _str[end-1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;}void string::insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size+len > _capacity){reserve(_size+len);}//memmove(_str + pos + len, _str + pos, sizeof(char) * (_size - pos + 1));//法一size_t end = _size+len;//法二while (end >pos+len-1){_str[end] = _str[end-len];end--;}memcpy(_str + pos, str, len);_size+=len;}void string::erase(size_t pos, size_t len){assert(pos < _size);if (len >= _size-pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}size_t string::find(char ch, size_t pos){for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch)return i;}return npos;}size_t string::find(const char* str, size_t pos){char* p = strstr(_str + pos, str);return p - _str;}

        在上述代码中定义了一些用于在字符串对象中查找和修改字符的函数。

        在`string.h`中，`void insert(size_t pos, char ch)`函数在指定位置插入一个字符。`void insert(size_t pos, const char* str)`函数在指定位置插入一个C风格的字符数组。`void erase(size_t pos=0, size_t len=npos)`函数从指定位置开始，删除指定长度的字符。`size_t find(char ch, size_t pos=0)`函数从指定位置开始，查找字符在字符串中第一次出现的位置。`size_t find(const char* str, size_t pos=0)`函数从指定位置开始，查找一个C风格的字符数组在字符串中第一次出现的位置。

        在`string.cpp`中，`void string::insert(size_t pos, char ch)`函数在指定位置插入一个字符。如果字符串的大小已经等于容量，则先扩展容量，然后将插入位置后的字符依次后移，并将指定位置处的字符替换为插入的字符。`void string::insert(size_t pos, const char* str)`函数在指定位置插入一个C风格的字符数组。如果插入后的长度超过容量，则先扩展容量，然后将插入位置后的字符依次后移，并将指定位置处的字符替换为插入的字符数组中的字符。`void string::erase(size_t pos, size_t len)`函数从指定位置开始，删除指定长度的字符。如果删除的长度大于等于从指定位置到字符串末尾的长度，则将指定位置处的字符设为'\0'，并更新字符串的大小。否则，将删除位置后的字符依次前移，覆盖被删除的字符，并更新字符串的大小。`size_t string::find(char ch, size_t pos)`函数从指定位置开始，在字符串中查找字符第一次出现的位置。遍历字符串中从指定位置开始的字符，如果找到与目标字符相同的字符，则返回该位置的索引。如果没有找到，返回`npos`。`size_t string::find(const char* str, size_t pos)`函数从指定位置开始，在字符串中查找一个C风格的字符数组第一次出现的位置。利用`strstr()`函数找到指定字符数组在字符串中的地址，并计算地址和字符串的地址差值，即为指定字符数组第一次出现的位置的索引。

        通过使用这些函数，可以方便地在字符串对象中插入、删除和查找字符和字符数组。

2.5 swap、substr以及运算符< > <= >= == !=的重载

    string.h:void swap(string& s);string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);bool operator<(const string& s) const;bool operator>(const string& s) const;bool operator<=(const string& s) const;bool operator>=(const string& s) const;bool operator==(const string& s) const;bool operator!=(const string& s) const;string.cpp:void string::swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}string string::substr(size_t pos, size_t len){// len大于后面剩余字符，有多少取多少if (len > _size - pos){string sub(_str + pos);return sub;}else{string sub;sub.reserve(len);for (size_t i = 0; i < len; i++){sub += _str[pos + i];}return sub;}}bool string::operator<(const string& s) const{return strcmp(_str, s._str) < 0;}bool string::operator>(const string& s) const{return !(*this <= s);}bool string::operator<=(const string& s) const{return *this < s || *this == s;}bool string::operator>=(const string& s) const{return !(*this < s);}bool string::operator==(const string& s) const{return strcmp(_str, s._str) == 0;}bool string::operator!=(const string& s) const{return !(*this == s);}

        在上述代码中实现了一些额外的功能和操作符重载。

        - `void swap(string& s)`：交换当前字符串和参数字符串的内容、大小和容量。
        - `string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)`：返回从指定位置开始的子字符串。
        - `bool operator<(const string& s) const`：重载小于操作符，判断当前字符串是否小于参数字符串。
        - `bool operator>(const string& s) const`：重载大于操作符，判断当前字符串是否大于参数字符串。
        - `bool operator<=(const string& s) const`：重载小于等于操作符，判断当前字符串是否小于等于参数字符串。
        - `bool operator>=(const string& s) const`：重载大于等于操作符，判断当前字符串是否大于等于参数字符串。
        - `bool operator==(const string& s) const`：重载等于操作符，判断当前字符串是否等于参数字符串。
        - `bool operator!=(const string& s) const`：重载不等于操作符，判断当前字符串是否不等于参数字符串。

        这些功能和操作符重载使得字符串类更加方便实用，可以更灵活地进行字符串的操作和比较。

2.6 clear以及运算符<< >>重载

    string.h:void clear();istream& operator>> (istream& is, string& str);ostream& operator<< (ostream& os, const string& str);string.cpp:void string::clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}istream& operator>> (istream& is, string& str){str.clear();char ch = is.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){str += ch;ch = is.get();}return is;}ostream& operator<< (ostream& os, const string& str){for (size_t i = 0; i < str.size(); i++){os << str[i];}return os;}

        在上述代码中定义了一个简单的字符串类 string，并在 string 类中实现了 clear() 方法。
在 string 类的实现文件 string.cpp 中，clear() 方法将字符串数组 _str 的第一个字符设置为 '\0'，并将字符串的大小 _size 设置为 0。
        另外，还重载了输入流运算符 >> 和输出流运算符 <<。
        在输入流运算符的实现中，先调用 string 类的 clear() 方法清空字符串，然后使用 istream 对象的 get() 方法逐个读取字符，直到遇到空格或换行符，将字符添加到字符串中。
        在输出流运算符的实现中，使用 ostream 对象的 << 运算符逐个输出字符串中的字符。
        最后，返回相应的输入流或输出流对象。

        到此我们只是简单的模拟实现了一下STL中string的相关接口~,后续我们会一一展开学习的,希望这篇博客能给您带来一些启发和思考!那我们下次再一起探险喽,欢迎在评论区进行讨论~~~

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