【C++ STL】模拟实现 string

标题：【C++ :: STL】手撕 STL _string

@水墨不写bug

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（图片来源于网络）

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        C++标准模板库（STL）中的string是一个可变长的字符序列，它提供了一系列操作字符串的方法和功能。

        本篇文章，我们将模拟实现STL的string类的部分功能，以增强对STL的熟练度，了解STL容器的工作原理，积累项目经验，也为将来自主实现和改造容器奠定坚实的基础。

        STL的string类是一个模板，而我们为了方便实现，以达到练习的目的，我们暂时先实现一个成员变量为（下图示）的string类。    

char* _str;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
size_t _capacity;

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C++ STL的string类提供了以下常用的成员函数和接口：

1. 构造函数和赋值操作函数接口：

   • 默认构造函数：创建一个空字符串。
   • 带string参数的构造函数：将一个string对象复制到另一个string对象中。
   • 带字符数组参数的构造函数：将字符数组转换为string对象。
   • 带整数参数的构造函数：将整数转换为字符串。
   • 赋值操作符：用另一个string对象、字符数组或字符来赋值。

2. 访问字符串内容相关函数接口：

   • at()：返回指定位置的字符。
   • operator[]：返回指定位置的字符。
   • front()：返回第一个字符。
   • back()：返回最后一个字符。
   • c_str()：返回一个以空字符结尾的字符数组。

3. 修改字符串内容接口：

   • insert()：在指定位置插入字符、字符串或字符数组。
   • erase()：删除指定位置的字符。
   • replace()：替换指定位置的字符串或字符。
   • append()：在字符串末尾添加字符、字符串或字符数组。
   • clear()：清空字符串。

4. 字符串操作接口：

   • size() 或 length()：返回字符串的长度。
   • empty()：判断字符串是否为空。
   • find()：查找指定字符串或字符的位置。
   • substr()：返回指定位置和长度的子字符串。
   • compare()：比较两个字符串

 （具体用法在上一篇讲解：【Cpp::STL】标准模板库_ string详解） 

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（一）头文件

        我们在C语言阶段实现声明和定义分离的时候，只是单一的把函数的定义放在.c（源）文件，把函数的声明，头文件的包含，宏定义等放在.h（头）文件。

        但是，在C++，不仅要遵守以上的规则，由于类的出现，需要域作用限定符（：：）来限定方位；由于成员的访问权限的出现，需要考虑访问权限的问题；此外不同类型的成员的定义的位置也有讲究，比如静态成员尽量不要直接定义在头文件中，因为这会引发  多次包含多文件   在链接时的  头文件内的对象的重定义问题。

        本文根据STL标准模板库的功能，给出头文件，包括string类的定义，众多成员函数，部分非成员函数（流插入，流提取的重载），并在后半节详细讲解各个函数的实现思路。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cassert>
using namespace std;namespace ddsm 
{class string {friend ostream& operator<<(ostream& out, const string& s1);public://迭代器typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin();const_iterator begin() const;iterator end();const_iterator end() const;//传参构造,默认构造，给默认值为空串，巧妙string(const char* str = "");string(const string& s);//copy constructor//string& operator=(const string& s);传统写法string& operator=(const char* s);string& operator=(string s);//现代写法//析构~string();//C类型字符串const char* c_str() const;//保留void reserve(int n);string& push_back(const char ch);//尾插字符string& append(const char* str);//尾插字符串string& operator+=(char ch);string& operator+=(const char* str);string& insert(size_t pos, const char ch);string& insert(size_t pos, const char* str);//缺省值代表最一般的情况string& erase(size_t pos = 0,size_t len = npos);//找一个字符size_t find(const char ch, size_t pos = 0);//找一个子串size_t find(const char* str, size_t pos = 0);void swap(string& s);string substr(size_t pos = 0,size_t len = npos);string& clear();private:char* _str;size_t _size;//字符串长度，不加上\0size_t _capacity;//特例，const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误static size_t npos;};istream& operator>>(istream& in, string& s);};

（二）string类的功能实现

（1）默认成员函数

i，构造函数

        我们知道，构造函数的作用是在对象实例化时初始化对象，对于string类对象，含有三个基本成员变量：

        char* _str;size_t _size;//字符串长度，不加上\0size_t _capacity;

        经过分析，我们得知在构造函数内部，需要申请动态的堆区空间给_str;需要根据_str的长度变化来动态更新_size；同时根据申请的动态空间的长度来更新_capacity。

        于是，我们理所当然的想到这样写构造函数：

string::string(const char* str = "")
// 缺省参数为一个空字符串，如果不传参，空字符串就是一个单独的'\0':_size(strlen(str)),_capacity(strlen(str))
{_str = new char[_size + 1];strcpy(_str, str);
}

        但是，这种简单易懂的写法也暴露出了弊端：多次无意义的重复调用strlen，这会造成额外的消耗。于是，为了减少strlen的调用次数，我们考虑这样修改:

        

string::string(const char* str):_size(strlen(str)),_capacity(_size)
{_str = new char[_size + 1];strcpy(_str, str);
}

        这样修改虽然解决了strlen重复无意义调用的问题，但是也带来了新的问题：

程序稳定性下降的问题：

￥￥我们知道：初始化列表的初始化顺序是成员函数在类中的声明顺序：按照此例：

        char* _str;size_t _size;//字符串长度，不加上\0size_t _capacity;

        先初始化_size,再初始化_capacity；在这种背景下，如果代码有一些微小的改变，或许就会造成意想不到的问题。

        如果改变成员变量的顺序，那么初始化列表就会按照不同的顺序初始化。具体来说，如果_capacity在_size之前，初始化列表就会先初始化_capacity：

        char* _str;size_t _capacity;size_t _size;//字符串长度，不加上\0

        这时_size还没有初始化，是随机值，那么就造成了_capacity为随机值的问题。

解决这个问题其实很简单，将对_capacity的初始化放入函数体：

string::string(const char* str)//strlen较低效，调用一次用size记录返回值//size/capacity不包含\0，但是其需要存储:_size(strlen(str))
{_str = new char[_size + 1];_capacity = _size;strcpy(_str, str);
}

        这样就确定了是先初始化_size,再初始化_capacity。￥￥

        （将声明和定义分离，需要将缺省参数放在声明处，同时函数名之前需要加上域作用限定符，表示这个函数在你实现的string类里面声明过。）

ii，析构函数

         析构函数的作用是：清理资源。

由于比较简单，这里直接给出实现：

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

（函数名之前需要加上域作用限定符，表示这个函数在你实现的string类里面声明过。）

iii，拷贝构造

       拷贝构造，完成创建对象时的初始化。

一般情况下，我们会这样写：

//拷贝构造
string::string(const string& s)
{char* tem = new char[s._capacity+1];//多开一个，存储'\0'strcpy(tem, s._str);delete[] _str;//销毁原空间_str = tem;_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}

但是，其实有更简单的写法：

void string::swap(string& s)
{//调用模板swap交换内置类型，损失不大std::swap(_str, s._str);std::swap(_capacity, s._capacity);std::swap(_size, s._size);
}
//拷贝构造的现代写法
string::string(const string& s):_str(nullptr)
{string tem(s._str);swap(tem);
}

仔细分析，我们其实在无形之中让构造函数给我们“打工”了：

string tem(s._str);

就是用拷贝对象的字符串来构造一个tem对象，而这个tem对象就是我们需要的，所以我们实现一个swap函数，将*this与tem完全交换，同时tem在出作用域时也会自动析构，同样也达到了拷贝构造的目的。

iv，赋值重载

赋值重载：实现对象之间的赋值。

我们一般会这样实现：

//赋值重载
string& string::operator=(const char* s)
{int len = strlen(s);char* tem = new char[len + 1];strcpy(tem, s);delete[] _str;_str = tem;_size = _capacity = len;return *this;
}

 但是，同样也有更简单的写法：

void string::swap(string& s)
{//调用模板swap交换内置类型，损失不大std::swap(_str, s._str);std::swap(_capacity, s._capacity);std::swap(_size, s._size);
}//赋值重载的现代写法 
string& string::operator=(string tem)
{//自动调用拷贝构造swap(tem);//出作用域自动完成析构return *this;
}

在无形之中，我们让拷贝构造为我们“打工”。

我们通过传值传参，拷贝构造一个临时对象tem，这个tem就是我们需要的，所以完全交换*this就得到了构造的对象，同时tem出作用域也会自动析构。

（2）迭代器

         对于迭代器，本质上是一个指针，也可以是一个类（对指针的封装），在这里，我们不妨用指针来作为迭代器：

//声明：
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
const_iterator begin() const;
iterator end();
const_iterator end() const;

    //定义string::iterator string::begin(){return _str;}string::const_iterator string::begin() const{return _str;}string::iterator string::end(){return _str + _size;}string::const_iterator string::end() const{return _str + _size;}

        const迭代器用于const对象调用；普通迭代器用于普通迭代器调用。

普通迭代器可读可写，const迭代器只可读不可写。

（3）容量和长度

 i.reserve()

        改变string的容量，若要求值n大于现在的容量，则容量扩大到n；若要求值小于等于现有容量，则改变容量。

        reserve对于size没有影响，不会改变string的内容。

实现如下：

//保留指定容量,容量只增不减
void string::reserve(int n)
{//要求保留的大于现有容量,需要扩容if (n > _capacity){char* tem = new char[n + 1];// 申请新空间完毕,转移数据strcpy(tem, _str);delete[] _str;_str = tem;_capacity = n;//reserve不改变size}
}

ii,resize()

    //resize()不改变capacity，可能改变sizevoid string::resize(int size,int ch)//size为设定值，_size为现有值{if (size < _size){_size = size;_str[size] = '\0';}else if (size > _size){if (size > _capacity){reserve(size);}int i = _size;while (i != size){_str[i++] = '\0';}_size = size;_str[_size] = '\0';}}

        如果设定值小于现有值，减小_size，相当于截断_str；

        如果设定值等于现有值，不做处理；

        如果设定值大于现有值，有三种情况：

                size <_capacity:        不扩容，并在[ _size,size)之间补0；

                size == _capacity:        不扩容，并在[ _size,size)之间补0；

                size > _capzcity:        扩容，并在[ _size,size)之间补0；

（4）元素访问

 i,operator[]

        下标的随机访问：

//声明
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;

//定义
char& string::operator[](size_t pos)
{assert(pos >= 0 && pos < _size);return _str[pos];
}
const char& string::operator[](size_t pos) const
{assert(pos >= 0 && pos < _size);return _str[pos];
}

对于at，front，back可以复用operator[]来实现。

（5）修改方式

i,push_back()

        实现尾插字符，实现如下：

//尾插字符,由于是一个一个插入，扩容不能太频繁，所以采用二倍扩容
string& string::push_back(const char ch)
{if (_size == _capacity)//不一定需要扩容，若长度等于容量，再次插入需要扩容{int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;reserve(Newcapacity);}//扩容完毕，尾插字符_str[_size++] = ch;_str[_size] = '\0';return *this;
}

        这里使用了一个扩容技巧，就是二倍扩容。

ii，append()

        追加，这里简化为追加一段字符串。

//尾插字符串，直接reserve到指定长度字符串
string& string::append(const char* str)
{int len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);//不改变size}//扩容完毕strcpy(_str + _size, str);_size += len;return *this;
}

        首先要先保存原来的len，这样如果需要扩容，在扩容完毕之后，只需更新_size为原_size+=len即可。

        否则，如果不保存len，在需要扩容的情况下，就会出现问题了：

##

（）

##

iii，operator+=复用上两函数即可

        尾插一个字符

string& string::operator+=(char ch)
{push_back(ch);return *this;
}

        尾插一个字符串

string& string::operator+=(const char* str)
{append(str);return *this;
}

iv，insert()

        在任意位置插入一个字符

//插入一个字符
//用push_back逻辑来扩容
string& string::insert(size_t pos, const char ch)
{assert(pos >= 0 && pos <= _size);if (_size == _capacity){int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;reserve(Newcapacity);//不改变size}int end = _size+1;//细节问题，int与size_t参与比较，//int隐式类型转化为size_t//size_t(-1)会变成很大的整数while(end>pos){_str[end] = _str[end-1];--end;}_str[pos] = ch;_size += 1;return *this;
}

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         在任意位置插入一个字符串

//插入一个字符串
//用reserve逻辑扩容
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos >= 0 && pos <= _size);int len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len+_size);}int end = _size + len;while (end>pos+len-1){_str[end] = _str[end - len];--end;}memmove(_str + pos, str, len);_size += len;return *this;
}

v,erase()

        在任意位置处删除长度为len的字符串：

string& string::erase(size_t pos, size_t len)//两种情况；删除部分string，pos之后全删
{assert(pos >= 0 && pos <= _size);if ((len == npos) ||(pos + len >= _size))//全删的情况{_str[pos] = '\0';_size = pos;}else//删除部分string{int end = pos + len;while (_str[end]!='\0'){_str[end - len] = _str[end];++end;}_str[end-len] = '\0';}return *this;
}

（6）串操作

i,find()

        找字符

size_t string::find(const char ch, size_t pos)
{for (size_t i = pos; i < _size; ++i){if (_str[i] == ch){return i;}}return npos;
}

        找字符串

        用到了strstr（）：字符串匹配函数。

size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{char* ret = strstr(_str, str);return (size_t)(ret - _str);
}

ii,c_str()

        返回C类型的字符串：

const char* string::c_str() const
{return _str;
}

iii，substr()

        得到字符串的子串：

string string::substr(size_t pos, size_t len){assert(pos >= 0 && pos <= _size);if ((len == npos) || (pos + len >= _size)){string sub(_str + pos);return sub;}else{ string sub;sub.reserve(len);for (size_t i = 0; i < len; ++i){sub._str[i] = _str[pos + i];}sub._str[len] = '\0';sub._size =sub._capacity =  len;return sub;}}

（7）成员常量

//特例，const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误
const static size_t npos = -1;

        无符号整数size_t(-1)是一个很大的整数。

（8）流插入和流提取

i,operator<<()

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{for (size_t i = 0; i < s._size; ++i){cout << s._str[i];}cout << endl;return out;
}

ii,operator>>()

        cin的get（）函数可以提取空白字符和‘\n’，这也是循环逻辑结束的条件。

//流提取改进，用buf临时数组，防止string频繁扩容
istream& operator>>(istream& in,string& s)
{s.clear();char buff[128] = { 0 };char ch = in.get();int i = 0;while(ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] = ch;ch = in.get();if (i == 127){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}}buff[i] = '\0';if (i != 0){s += buff;}return in;
}

        整体使用了用临时栈区数组的方式来减少扩容次数，提高效率。

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完~

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