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【C++篇】string类的终章：深浅拷贝 + 模拟实现string类的深度解析（附源码）

我想吃余

发布于 2025-04-22 01:32:32

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前言

本文将通过一个自定义的字符串类实现（zhh::string zhh是一个我自定义的作用域），深入探讨string类的核心设计思路与实现细节，以及为什么在拷贝构造和赋值运算符重载的实现需要用深拷贝。该代码模拟了标准库std::string的一些核心功能，包括动态内存管理、迭代器、常用操作符重载等。同时也借此对深浅拷贝进行实际上的应用。

源码在文章末尾

深浅拷贝

一、浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，仅仅这是将值拷贝过来。

我们平时C语言中使用的赋值，以及函数传值，都是浅拷贝。

如果在对象中使用，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错误。

浅拷贝的问题

浅拷贝 仅复制指针的值（地址），导致多个对象共享同一块内存：

class String {
public:
    char* data;
    // 假设有浅拷贝构造函数
    String(const String& other) : data(other.data) {}
};

String s1("Hello");
String s2 = s1; // 浅拷贝：s2.data 和 s1.data 指向同一内存

问题：

修改冲突：修改 s1 会影响 s2。
重复释放：析构时 s1 和 s2 会尝试释放同一块内存，导致崩溃。
悬空指针：一个对象被析构后，另一个对象的指针失效。

那么，如何使得每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享？

二、深拷贝

深拷贝 是一种内存管理技术，其核心是完整复制对象及其动态分配的资源，生成一个与原对象完全独立的新对象。在C++中，当类包含指针成员并指向堆内存时，必须通过深拷贝来避免以下问题：

深拷贝的实现

深拷贝通过分配新内存并复制内容，确保对象间的独立性。

在实现string类中的拷贝构造函数以及赋值运算符重载都需要用到深拷贝：

拷贝构造函数

string(const string& s) {
    _str = new char[s._capacity + 1]; // 分配新内存
    memcpy(_str, s._str, s._size + 1); // 复制内容（包含'\0'）
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}

关键点：为新对象分配独立的内存，并复制原对象的所有数据。

赋值运算符

传统写法：

string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		char* tmp = new char[s._capacity + 1];
		memcpy(tmp, s._str, s._size+1);
		delete[] _str;
		_str = tmp;

		_size = s._size;
		_capacity = s._capacity;
	}

	return *this;
}

深拷贝的经典写法

现代写法：

//string类的swap接口：将每个成员变量交换即可
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}

string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		string tmp(s);
		swap(tmp);
	}
	return *this;
}

利用拷贝构造，用s构造tmp——代替new开辟空间与memcpy拷贝步骤
再将*this与tmp交换数据，利用局部对象tmp出函数作用域调用析构释放原*this的数据——代替delete释放原空间数据步骤

省略了大量代码，妙不可言

当今写法：

string& operator=(string tmp) {
    swap(tmp); // 交换资源，tmp 析构时释放原内存
    return *this;
}

点睛之笔：利用函数传值自动调用拷贝构造的原理——替代了手动调用拷贝构造

真是进了米奇妙妙屋了，妙的不能再妙了😏

优势：利用临时对象 tmp 的深拷贝，通过 swap 安全交换资源，天然避免自赋值问题。

三、总结

深拷贝是管理动态资源的类的必备实现，确保对象间的独立性。
浅拷贝仅适用于不涉及资源所有权的简单数据类型（如 int, double）。
在C++中，默认拷贝构造函数和赋值运算符是浅拷贝。若类需要深拷贝，必须手动实现拷贝控制函数（拷贝构造、赋值运算符、析构函数）。

通过正确实现深拷贝，可以避免内存泄漏、悬空指针和不可预测的行为，从而编写出健壮的C++程序。

二、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。

模拟实现string类

一、核心结构设计

1. 成员变量

class string {
private:
    char* _str;       // 字符串内容
    size_t _capacity; // 总容量（不包含'\0'）
    size_t _size;     // 当前长度
    const static size_t npos; // 特殊值，表示无效位置
};

_str：动态分配的字符数组，存储字符串内容（以'\0'结尾）。
_capacity：当前分配的内存容量（不包含'\0'的额外空间）。
_size：字符串实际长度（包含'\0'的额外空间）。
npos：静态常量，表示无效位置（定义为-1的无符号最大值）。

二、关键功能实现

1. 构造函数与拷贝控制

1.1构造函数

string(const char* str = "") {
    _size = strlen(str);
    _capacity = _size;
    _str = new char[_capacity + 1];
    memcpy(_str, str, _size);
    _str[_size] = '\0';
}

支持从C风格字符串构造，默认构造空字符串。
使用memcpy高效拷贝数据，但需确保输入字符串以'\0'结尾。

1.2拷贝构造函数与赋值运算符

前文在讲解深拷贝时已详细介绍了，这里不再赘述了。

string(const string& s) {
    _str = new char[s._capacity + 1]; // 需分配足够空间（原实现有误）
    memcpy(_str, s._str, s._size + 1); // 包含'\0'
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}

string& operator=(string tmp) {
    swap(tmp); // 通过交换资源实现赋值
    return *this;
}

1.3析构函数

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

释放动态内存，重置成员变量。

2. 迭代器

typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;

iterator begin() 
{ 
	return _str; 
}

iterator end() 
{ 
	return _str + _size;
}

const_iterator begin()const
{
    return _str;
}

const_iterator end()const
{
    return _str + _size;
}

提供类似标准库的迭代器接口，支持范围for循环。

测试代码：

void TestString1()
{
	zhh::string s1("hello world");
	zhh::string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it << " ";
		it++;
	}
	cout << endl;
	{
	for (auto ch : s1)
		cout << ch << "6";
	}
	cout << endl;
}

测试结果：

3. capacity相关接口

3.1`reserve`扩容

void reserve(size_t n) {
    if (n > _capacity) {
        char* tmp = new char[n + 1];
        memcpy(tmp, _str, _size + 1); // 包含'\0'
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}

当给定的目标扩容值小于已有容量，容量保持不变。
使用memcpy提升性能，但需确保拷贝长度包含'\0'。

3.2`resize`调整大小

void resize(size_t n, char c = '\0') {
    if (n > _size) {
        reserve(n);
        for (size_t i = _size; i < n; ++i)
            _str[i] = c;
    }
    _str[n] = '\0'; // 确保终止符
    _size = n;
}

若n > _size，填充字符c；否则截断字符串。

3.3`size`获取大小

size_t size()const
{
	return _size;
}

3.4`capacity`获取容量

 size_t capacity()const
 {
     return _capacity;
 }

3.5`empty`判空

bool empty()const
{
    return _size == 0 ? true : false;
}

4. modify相关接口

4.1`push_back`尾插字符

尾插字符很简单，在字符串尾部赋值即可，需要考虑的问题有：

容量是否足够？是否需要扩容？
如何扩？扩多大？
字符串结尾有没有附上\0结束标志？

解决问题：

检查容量方法：判断_capacity是否大于_size +1
扩容方式：调用reserve扩容。扩多大取决于自己，我这里是扩两倍
记得改变_size的值，最后在_size的位置赋上\0

代码：

void push_back(char c)
{
    //检查容量，不足就扩
    if (_capacity < _size + 1)
    {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size] = c;
    ++_size;
    _str[_size] = '\0';
}

4.2`append`在字符串结尾拼接字符串

思路与尾插字符差不多：检查容量->不足就扩->拼接->改变size 需要注意的是：

函数参数是指针，assert断言防止空指针传入
拼接方法：使用memcpy从字符串尾部开始拷贝
size加上传入字符串长度即可
size位置无需赋值\0，因为memcpy时可以顺带完成

代码：

 void append(const char* str)
 {
     assert(str);
     size_t len = strlen(str);
     reserve(_size + len);
     memcpy(_str + _size, str, len);
     _size += len;
 }

4.3`operator+=`

这里复用push_back和append即可：

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

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

💡：我们平时需要尾插字符或字符串时一般都用这个接口，因为他完全可以代替push_back和append。但我们需要知道他的底层其实是由push_back和append实现的。

4.4`clear` 清空有效字符

在_str[0]的位置赋值\0即可

 void clear()
 {
     _str[0] = '\0';
     _size = 0;
 }

4.5`c_str`获取C属性的字符串（字符串指针）

返回_str成员变量即可

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

5. assess接口

这个其实我们前面已经用过了，是不是有种自来熟的感觉😂 返回字符串对应位置的字符即可

char& operator[](size_t index)
{
    assert(index < _size && index >= 0);
    return _str[index];
}

const char& operator[](size_t index)const
{
    assert(index < _size && index >= 0);
    return _str[index];
}

6. 字符串操作

6.1`find`查找字符或子串

查找字符：遍历查询即可
查找子串：使用strstr库函数实现高效查找。

代码：

// 返回c在string中第一次出现的位置
size_t find(char c, size_t pos = 0) const
{
    assert(pos >= 0);
    for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
    {
        if (_str[i] == c)
        {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}

// 返回子串s在string中第一次出现的位置
size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
{
    char* ptr = strstr(_str + pos, s);
    if (ptr)
    {
        return ptr - _str;
    }
    else
    {
        return npos;
    }

}

6.2`insert`插入

6.2.1 插入字符

大体与push_back类似，但多了一个步骤——挪动数据 从尾部开始，将字符赋值到后面的一个位置，到pos位置结束（pos位置也要挪动）。

代码（有bug）：

 // 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
 string& insert(size_t pos, char c)
 {
     assert(pos < _size && pos >= 0);
     //检查容量，不足就扩
     if (_capacity < _size + 1)
     {
         reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
     }
     size_t end = _size;
     while (pos <= end)
     {
         _str[end + 1] = _str[end];
         --end;
     }
     _str[pos] = c;
     ++_size;
     return *this;
 }

聪明的你可以看出问题出在哪吗？可以试试用pos = 0运行一下代码，会发现超时了，那应该就是循环的问题，我们锁定while的位置走读代码，当end = 0，进入循环，–end得end = -1，end的类型是size_t，而-1是最大的无符号整数，所以我们循环进入了死循环。

处理方法：添加循环条件end != npos

正确代码：

 // 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
 string& insert(size_t pos, char c)
 {
     assert(pos < _size && pos >= 0);
     //检查容量，不足就扩
     if (_capacity < _size + 1)
     {
         reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
     }
     size_t end = _size;
     //当pos = 0 ，end会变为-1，成为最大无符号整数进入死循环
     //因此这里需补充条件end != npos
     while (pos <= end && end != npos)
     {
         _str[end + 1] = _str[end];
         --end;
     }
     _str[pos] = c;
     ++_size;
     return *this;
 }

6.2.2 插入字符串

插入字符串的挪动方式差不多：方式是相同的，但挪动距离为len（插入的字符串长度）

代码：

string& insert(size_t pos, const char* str)
 {
     assert(pos < _size && pos >= 0);
     size_t len = strlen(str);
     if (_size + len > _capacity)
     {
         reserve(_size + len);
     }

     //挪动数据
     size_t end = _size;
     //当pos = 0 ，end会变为-1，成为最大无符号整数进入死循环
     //因此这里需补充条件end != npos
     while (end >= pos && end != npos)
     {
         _str[end + len] = _str[end];
         --end;
     }
     
     for (size_t i = pos; i < pos + len; ++i)
     {
         _str[i] = *str;
         ++str;
     }

     _size += len;
     return *this;
 }

6.3`erase`删除

如果需要删除的长度大于_size - pos，直接在pos位置赋值\0即可
否则，将需要删除的部分挪到\0后面即可

// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
string& erase(size_t pos, size_t len)
{
    if (len >= _size - pos)
    {
        _str[pos] = '\0';
    }
    else
    {
        size_t end = pos + len;
        for (size_t i = end; i <= _size; ++i)
        {
            _str[end - len] = _str[end];
            end++;
        }
    }
    return *this;
}

6.4`substr`截取字符串

核心思想：创建一个临时对象，将需的字符依次尾插到这个对象，最后返回这个对象的值即可 注意：这里只能传值返回

string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
    string tmp;
    size_t n = len;
    if (n > _size - pos || n == npos)
    {
        n = _size - pos;
    }
    tmp.reserve(n);
    for (size_t i = pos; i < pos + n; ++i)
    {
        tmp += _str[i];
    }
               //返回值传值，调用拷贝构造
    return tmp;//返回值不可用引用，否则出作用域调用析构，非法访问
}

7. 关系运算符重载

一共有6个关系运算符：< > == <= >= != 其实我们只需要实现两个即可（<或>和==）

核心问题：如何比较两个字符串大小？

在编程中，两个字符串的大小比较通常是基于字典序进行的，类似于字典中单词的排列顺序。具体规则如下：

比较规则

逐字符比较：
- 从左到右依次比较两个字符串的每个字符的ASCII码值
- 如果某位置的字符不同，直接根据这两个字符的ASCII码值大小决定字符串大小。示例： "apple" 和 "apricot"：第3个字符 'p'（ASCII 112） < 'r'（ASCII 114），所以 "apple" < "apricot"。
长度比较：
- 如果所有对应字符均相同，则较长的字符串更大。示例： "hello" 和 "hell"：前4字符相同，但前者更长，所以 "hello" > "hell"。
完全相等：
- 如果所有字符相同且长度相同，则两字符串相等。

实现思路：

先比较短字符串长度较短的长度，如果谁大，那么谁就大；如果相等，那么字符串长度较长的字符串更大，如果字符串长度也相等，那么相等。

 bool operator<(const string& s)
 {
     int ret = memcmp(_str, s._str, _size < s._size ? _size : s._size);
     return ret == 0 ? _size < s._size : ret < 0;
 }

 bool operator==(const string& s)
 {
     return _size == s._size && memcmp(_str, s._str, _size) == 0;
 }

 bool operator<=(const string& s)
 {
     return *this < s || *this == s;
 }

 bool operator>(const string& s)
 {
     return !(*this <= s);
 }

 bool operator>=(const string& s)
 {
     return !(*this < s);
 }
    
 bool operator!=(const string& s)
 {
     return !(*this == s);
 }

8. 流插入与流提取运算符重载

我们上一期知道：这两个运算符重载不能作为成员函数（为了使得对象参数作为第二个参数），需要在类外实现，必要的话可以将它们声明为类的友元。

流插入比较简单，遍历流插入字符即可：

ostream& operator<<(ostream& out, const zhh::string& s)
{
	for (auto ch : s)
	{
		out << ch;
	}
	return out;
}

而流提取就比较麻烦了。

每次输入都需要清空字符串（使用clear）。
清理缓存区的空格与换行（清除输入的字符串头部的空格与换行）。
实现时不能用流提取，否则会造成流堵塞（输入空格与换行无法结束输入），使用get()可以解决这个问题
如果我们一次输入较多数据会造成频繁扩容，效率低下。我们可以用数组来解决这个问题：定义一个buff[128]，我们将输入的数据存入数组，情况1：输入结束且数组未满，直接将数组中的字符尾插到目标字符串。情况2：输入未结束且数组已满，将数组中的字符尾插到目标字符串，继续从数组的起始位置重新存输入的数据，循环往复。 注意：每次要尾插数据前，要在数组的有效数据后赋值\0，否则会造成数据错乱。

 istream& operator>>(istream& in, zhh::string& s)
    {
        //清理原数据
        s.clear();

        char ch = '\0';
        //清理缓存区的空格与换行
        while (ch == ' ' || ch == '\n')
        {
            ch = in.get();
        }

        char buff[128];
        int i = 0;
        while (ch != ' ' && ch != '\n')
        {
            ch = in.get();
            buff[i++] = ch;

            if (i == 127)//留一个位置放\0
            {
                buff[i] = '\0';
                s += buff;
                i = 0;
            }
        }

        if (i != 0)
        {
            buff[i] = '\0';
            s += buff;
        }
        return in;
    }
}