【C++】C++ 标准库string类介绍(超详细解析,小白必看系列)

C++ 标准库中的 std::string 类是一个非常强大的工具,用于处理和操作字符串。它属于 <string> 头文件,并提供了一套丰富的功能和方法。以下是 std::string 类的一些主要特性和常用操作:

1 string简介

  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 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(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。
  5. 使用string类时,必须包含#include头文件以及using namespace std;

2 string类的常用接口说明

1. 构造函数和赋值操作

  • 默认构造函数:创建一个空字符串。
  • 带字符串参数的构造函数:可以用 C 风格字符串(如 const char*)来初始化。
  • 拷贝构造函数:用另一个 std::string 对象来初始化。
  • 赋值操作符:可以将一个字符串赋值给另一个字符串。
std::string str1; // 默认构造函数
std::string str2 = "Hello, World!"; // 带字符串参数的构造函数
std::string str3 = str2; // 拷贝构造函数
std::string str4;
str4 = "World, Hello!"; // 赋值操作

2. 容量操作

  • length() 和 size():返回字符串的长度。
  • capacity():返回字符串的容量。
  • empty():检查字符串是否为空。
  • clear():清空字符串。
  • reserve():为字符串预留空间。
  • resize():调整字符串的大小。
std::string myString = "Hello, World!";
std::cout << "Length: " << myString.length() << std::endl;
std::cout << "Capacity: " << myString.capacity() << std::endl;
std::cout << "Is empty? " << (myString.empty() ? "Yes" : "No") << std::endl;
myString.clear();
std::cout << "After clear: " << myString << std::endl;
myString.reserve(20);
myString.resize(10, 'X');
std::cout << "After resizing: " << myString << std::endl;

3. 访问及遍历操作

  • operator[]:通过下标访问字符串中的字符。
  • begin() 和 end():获取字符串的迭代器,用于遍历字符串。
  • rbegin() 和 rend():获取字符串的反向迭代器,用于反向遍历字符串。
  • 范围 for 循环:C++11 引入的简洁遍历方式。
const std::string myString = "Hello, World!";
char character = myString[7];
std::cout << "Character at position 7: " << character << std::endl;for (auto it = myString.begin(); it != myString.end(); ++it) {std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;for (auto rit = myString.rbegin(); rit != myString.rend(); ++rit) {std::cout << *rit << " ";
}
std::cout << std::endl;

4. 修改操作

  • operator+= 和 append():拼接字符串。
  • insert():在指定位置插入字符串。
  • erase():删除指定位置的字符或子串。
  • replace():替换指定位置的字符或子串。
std::string str = "Hello";
str += ", World!";
str.append(" How are you?");
str.insert(5, " there");
str.erase(5, 6);
str.replace(0, 5, "Hi");
std::cout << str << std::endl;

5. 查找操作

  • find() 和 rfind():查找子串的位置。
  • substr():获取子串。
std::string str = "Hello, World!";
size_t pos = str.find("World");
if (pos != std::string::npos) {std::cout << "Found 'World' at position: " << pos << std::endl;
}
std::string sub = str.substr(7, 5);
std::cout << "Substring: " << sub << std::endl;

6. vsg++string结构的说明

在 Visual Studio (VS) 和 GNU Compiler Collection (GCC) 下,std::string 类的实现有一些差异。以下是对这两种环境下 std::string 结构的简要说明:

1 Visual Studio 下的 std::string 结构

在 Visual Studio 中,std::string 类的实现较为复杂,通常包含以下几个部分:

  1. 指针:指向实际存储字符串数据的内存。
  2. 大小:表示字符串的长度。
  3. 容量:表示分配的内存容量。

Visual Studio 使用了 Small String Optimization (SSO) 技术,当字符串较短时,数据会直接存储在对象内部,而不需要额外的动态内存分配。这种优化可以提高性能,减少内存分配的开销

2 GCC 下的 std::string 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:
  1. 空间总大小
  2. 字符串有效长度
  3. 引用计数

3 写时拷贝的工作原理

  1. 共享数据:当一个 std::string 对象被复制时,新的对象不会立即复制字符串数据,而是共享原始字符串的数据。这意味着多个 std::string 对象可以指向同一块内存。
  2. 引用计数:每个共享的数据块都有一个引用计数,记录有多少个 std::string 对象共享这块数据。
  3. 写时复制:当任何一个 std::string 对象试图修改共享的数据时,会先检查引用计数。如果引用计数大于1,表示数据被多个对象共享,此时会创建数据的真实副本,然后对这个副本进行修改。这样,修改操作不会影响其他共享同一数据的对象。
示例代码

以下是一个简单的写时拷贝实现示例:

#include <iostream>
#include <cstring>class String {
public:String(const char* str = "") {if (str) {m_data = new char[strlen(str) + 1];strcpy(m_data, str);m_refCount = new int(1);} else {m_data = new char[1];*m_data = '\0';m_refCount = new int(1);}}String(const String& other) {m_data = other.m_data;m_refCount = other.m_refCount;++(*m_refCount);}~String() {if (--(*m_refCount) == 0) {delete[] m_data;delete m_refCount;}}String& operator=(const String& other) {if (this != &other) {if (--(*m_refCount) == 0) {delete[] m_data;delete m_refCount;}m_data = other.m_data;m_refCount = other.m_refCount;++(*m_refCount);}return *this;}char& operator {if (*m_refCount > 1) {char* newData = new char[strlen(m_data) + 1];strcpy(newData, m_data);--(*m_refCount);m_data = newData;m_refCount = new int(1);}return m_data[index];}const char* c_str() const {return m_data;}private:char* m_data;int* m_refCount;
};int main() {String str1("Hello");String str2 = str1;str2[0] = 'h';std::cout << "str1: " << str1.c_str() << std::endl;std::cout << "str2: " << str2.c_str() << std::endl;return 0;
}
现代 C++ 标准中的变化

在 C++11 及之后的标准中,std::string 类的实现已经不再使用写时拷贝技术。原因包括:

  • 线程安全性:写时拷贝需要维护引用计数,这在多线程环境中会引入复杂的同步问题。
  • 性能考虑:现代 C++ 标准更倾向于使用移动语义和右值引用来优化性能,而不是依赖写时拷贝

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