C++：String的模拟实现

小陈在拼命

发布于 2024-03-08 09:28:12

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发布于 2024-03-08 09:28:12

文章被收录于专栏：C/C＋＋、数据结构、算法

模拟实现的节奏比较快，大家可以先去看看博主的关于string的使用，然后再来看这里的模拟实现过程

C++：String类的使用-CSDN博客

String模拟实现大致框架迭代器以及迭代器的获取（public定义，要有可读可写的也要有可读不可写的）/成员变量（private定义）并且为了不和库的string冲突，我们需要自己搞一个命名空间

namespace cyx
{
	class string
	{
	public:
		//迭代器的实现(可读可写)
		typedef char* iterator;
		iterator begin()
		{
			return _str;
		}
		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
		//迭代器的实现(可读不可写)
		typedef const char* const_iterator;
		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		static const size_t npos;
		//static const size_t npos=-1  vs下int类型支持给static和const同时修饰的变量用缺省值
	};
	 const size_t string::npos = -1;//静态成员遍历类外初始化
}

nops是一个静态变量，要类内定义类外初始化，由于nops是size_t类型，赋值-1会被强转成最大的无符号整数

一、构造+析构+赋值重载（Member functions）

1.1 全缺省构造函数

//构造函数
string(const char* str = "")
	:_size(strlen(str))
	{
		_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
		_str = new char[_capacity + 1];//   多开一块\0的空间
		strcpy(_str, str);
	}

1、 “ ”空字符串其实里面默认就有\0，所以缺省值直接给空字符串就行

2、_capacity 一定要给初始空间，不然后面如果涉及到2倍扩容，为0的话就扩不了了

3、要多开一块空间，连这个\0

4、可以复用strcpy函数

1.2 拷贝构造函数的传统写法

传统的思路就是拷贝，也就是我们先根据被拷贝的对象的_capacity开空间，然后再进行拷贝

	string(const string& s)
		:_size(s._size)
		, _capacity(s._capacity)
	{
		_str = new char[_capacity + 1];
		strcpy(_str, s._str);
	}

1.3 拷贝构造函数的现代写法和swap函数

现代的思路就是，尝试去复用，比如说我们可不可以直接去利用前面的构造函数去构造一个新对象，然后再窃取新对象的成果（利用swap）

//交换字符串
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);//浅拷贝，没有开空间，只是改变指针指向
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}

	string(const string& s)
			:_str(nullptr)
		{
			string temp(s._str);
			swap(temp);
		}

传统写法和现代写法参数一样，不能重载，只能保留一个

1. 4 迭代器区间构造

		//迭代器区间构造
		template <class InputIterator>
		string(InputIterator first, InputIterator last)
			:_str(new char[last-first+1])
			,_size(0)
			,_capacity(last-first)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back (*first);
				++first;
			}
		}

这里定义的模版InputIterator的意思其实是这边我们可以传不同类型对象的迭代器，我们并不知道这个迭代器里面有多少元素，所以得用指针-指针，即last-first来确定我们的容量，然后再开空间，一个个进行尾插。

1.5 赋值重载的传统写法

传统的思路就是，先开一块新空间拷贝旧数据，然后再释放掉原空间，这里尽量是先开空间再释放，避免我们开空间失败导致原始数据的丢失。

		//赋值重载(传统写法)
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)//避免自赋值
			{
				//先开新空间再毁旧空间，避免新空间开失败导致数据丢失
				char* temp = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(temp, s._str);
				delete[]_str;
				_str = temp;
				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}
			return *this;
		}

注意：要注意自赋值情况！！否则刚拷贝完自己就被释放了

1.6 赋值重载的现代写法

现代的思路就是，既然被赋值这个空间不想要，那就和形参直接交换吧！！但是要注意的是，这里就不能像传统的一样用const引用了，否则不想要的空间就给到我们的赋值对象了，这边就得用传值传参，这样被交换的就只是一个临时拷贝，不想要的空间随着栈帧的结束被销毁。

//赋值重载(现代写法)
string& operator=(string s)//必须用值传递，否则会导致原数据的丢失
{
	swap(s);
	return *this;
}

传统写法和现代写法参数不一样，一个是const引用，一个传值传参，所以可以同时存在。

1.7 析构函数

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

二、容量相关的接口（Capacity）

2.1 size、capacity

	//获取当前size
	size_t size() const
	{
		return _size;
	}
	//获取当前capacity
	size_t capacity() const
	{
		return _capacity;
	}

2.2 reserve

如果n比_capacity大，思路就是先开新空间进行拷贝，然后再释放旧空间

	//改变capacity
	void reserve(size_t n)
	{
		if (n > _capacity)
		{
			char* tmp = new char[n + 1];
			strcpy(tmp, _str);
			delete[] _str;
			_str = tmp;
			_capacity = n;
		}
	}

2.3 resize

如果n比_size大，我们根据n去扩容，然后因为string的底层是字符数组，所以memset就很适合，他就是可以去一个字节一个字节设置成我们想要的。缺省值给‘\0’

//改变size
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
	if (n > _size)
	{
		reserve(n);
		memset(_str + _size, ch, n - _size);
	}
	_size = n;
	_str[_size] = '\0';
}

2.4 clear和empty

//清理字符串
void clear()
{
	_str[0] = '\0';
	_size = 0;
}
//判断字符串是否为空
bool empty()
{
	return _capacity == 0;
}

2.5 shrink_to_fit（用得少）

缩容到size位置，平时用的很少，我们要尽量减少扩容，思路也是一样的，开辟新空间去拷贝，再释放旧空间

	void shrink_to_fit()
	{
		char* temp = new char[_size + 1];
		strcpy(temp, _str);
		delete[] _str;
		_str = temp;
		_capacity = _size;
	}

三、[ ]和比较运算符重载

//[]重载(可读可写)
char& operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < _size);//确保地址有效
	return _str[pos];
}
//[]重载(可读不可写)
const char& operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos < _size);//确保地址有效
	return _str[pos];
}
//比较类型重载
//>
bool operator>(const string& s) const
{
	return strcmp(_str, s._str) > 0;
}
//==
bool operator==(const string& s) const
{
	return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
//>=
bool operator>=(const string& s) const
{
	return *this > s || *this == s;
}
//<
bool operator<(const string& s) const
{
	return !(*this >= s);
}
//<=
bool operator<=(const string& s) const
{
	return !(*this > s);
}
//!=
bool operator!=(const string& s) const
{
	return !(*this == s);
}

有了[ ]、迭代器，我们可以展示3种遍历方法：下标访问、迭代器区间访问、范围for访问

	void Print(const string& s)
	{
	  //下标遍历
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
			cout << s[i] << " ";
		cout << endl;
	  //迭代器遍历访问
		string::const_iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	  //范围for
		for (auto &e : s)
			cout << e << " ";
		cout << endl;
	}

四、增删接口（Modifiers）

字符串的增删接口一般要设置两个版本，一个是操作字符，一个是操作字符串,我们先把最难的insert和erase搞了，其他的就可以复用了

4.1 insert

	//指定位置插入一个字符
	string& insert(size_t pos, char ch)
	{
		assert(pos <= _size);
		//判断是否需要扩容
		if (_size + 1 > _capacity)
			reserve(2 * _capacity);
		//pos后的数据要往后挪，所以要从后往前移
		size_t end = _size + 1;
		while (end > pos)
		{
			_str[end] = _str[end - 1];
			--end;
		}
		_str[pos] = ch;
		++_size;
		return *this;
	}
	//指定位置插入一个字符串
	string& insert(size_t pos, const char* str)
	{
		assert(pos <= _size);
		//判断是否需要扩容
		size_t len = strlen(str);
		if (_size + len > _capacity)
			reserve(_size + len);
		size_t end = _size + len;
		while (end > pos + len - 1)
		{
			_str[end] = _str[end - len];
			--end;
		}
	//拷贝插入
		strncpy(_str + pos, str, len);
		_size += len;
		return *this;
	}

4.2 erase

//删除指定位置之后的字符
string& erase(const size_t pos, size_t len = npos)
{
	assert(pos <= _size);
	//有两种情况，一种是全删完，一种是删中间的一部分
	//全删完
	if (len == npos || pos + len > _size)//len == npos必须写，因为nops是无符号最大值，+的话会溢出
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	//删一部分
	else
	{
		strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
		_size -= len;
	}
	return *this;
}

len == npos这个判断条件必须写，因为nops已经是无符号最大值了，再+会溢出

4.3 push_back

	//尾插一个字符
	void push_back(char ch)
	{
		insert(_size, ch);
	}

4.4 append

//尾插一个字符串
string& append(const char* str)
{
	return insert(_size, str);
}

4.5 +=重载（用的多）

	//+=重载 字符
	string& operator+=(char ch)
	{
		push_back(ch);
		return *this;
	}
	//+=重载 字符串
	string& operator+=(const char* str)
	{
		append(str);
		return *this;
	}

五、字符串操作（String operations）

5.1 获取c类型字符串

//获取c类型字符串
const char* c_str() const
{
	return _str;
}

5.2 寻找指定字符串并返回下标

	//寻找指定字符串并返回下标
	size_t find(const char* str, size_t pos = 0)const
	{
		assert(pos < _size);
		char* p = strstr(_str + pos, str);
		if (p == nullptr)
			return npos;
		return p - _str;
	}

六、重载流插入和流提取

我们不能写在类内，否则会*this会占用第一个操作数，不符合我们的使用习惯。

6.1 流提取

//重载<<
std::ostream& operator<< (std::ostream& out, const string& s)
{
	//可以用范围for，也可以用迭代器   范围for是用宏写的，本质上也是迭代器！
	for (auto ch : s)
		out << ch;
	return out;
}

6.2 流插入

首先我们要知道两点，1.>>只会读取到空格或者换行结束 2.读取前会清理掉原空间的数据

	//重载>>
	std::istream& operator>> (std::istream& in, string& s)
	{
		//读取前要先清理掉原来存在的字符
		s.clear();
		//用get获取字符
		char ch = in.get();
		//先用一个数组存起来，再一起加
		char buff[128];
		size_t i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			//原始方法，一个字符一个字符加太麻烦，先用一个数组存起来，再一起加
			//s += ch;
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[127] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;//重置i
			}
			ch = in.get();
		}
		//循环结束后可能还要一些字母没有存进去
		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}

我们用一个buff数组来暂时存储需要插入的字符，等存完了再+=，这样可以提高效率，以空间换时间

七、string模拟实现全部代码

namespace cyx
{
	using std::endl;
	using std::cout;
	class string
	{
	public:
		//迭代器的实现(可读可写)
		typedef char* iterator;
		iterator begin()
		{
			return _str;
		}
		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
		//迭代器的实现(可读不可写)
		typedef const char* const_iterator;
		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}
		const_iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}
		//交换字符串
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);//浅拷贝，没有开空间，只是改变指针指向
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		//构造函数
		string(const char* str = "")
			:_size(strlen(str))
			{
				_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
				_str = new char[_capacity + 1];//   多开一块\0的空间
				strcpy(_str, str);
			}
		//拷贝构造函数(传统写法)
		/*string(const string& s)
			:_size(s._size)
			, _capacity(s._capacity)
		{
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
		}*/
        //拷贝函数的现代写法
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
		{
			string temp(s._str);
			swap(temp);
		}
		//迭代器区间构造
		template <class InputIterator>
		string(InputIterator first, InputIterator last)
			:_str(new char[last-first+1])
			,_size(0)
			,_capacity(last-first)
		{
			while (first != last)
			{
				push_back (*first);
				++first;
			}
		}
		//赋值重载(传统写法)
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)//避免自赋值
			{
				//先开新空间再毁旧空间，避免新空间开失败导致数据丢失
				char* temp = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(temp, s._str);
				delete[]_str;
				_str = temp;
				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}
			return *this;
		}
		//赋值重载(现代写法)
		string& operator=(string s)//必须用值传递，否则会导致原数据的丢失
		{
			swap(s);
			return *this;
		}
		//析构函数
		~string()
		{
			delete[]_str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
		//获取c类型字符串
		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
		//获取当前size
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		//获取当前capacity
		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}
		//[]重载(可读可写)
		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);//确保地址有效
			return _str[pos];
		}
		//[]重载(可读不可写)
		const char& operator[](size_t pos) const
		{
			assert(pos < _size);//确保地址有效
			return _str[pos];
		}
		//比较类型重载
		//>
		bool operator>(const string& s) const
		{
			return strcmp(_str, s._str) > 0;
		}
		//==
		bool operator==(const string& s) const
		{
			return strcmp(_str, s._str) == 0;
		}
		//>=
		bool operator>=(const string& s) const
		{
			return *this > s || *this == s;
		}
		//<
		bool operator<(const string& s) const
		{
			return !(*this >= s);
		}
		//<=
		bool operator<=(const string& s) const
		{
			return !(*this > s);
		}
		//!=
		bool operator!=(const string& s) const
		{
			return !(*this == s);
		}
		//改变size
		void resize(size_t n, char ch = '\0')
		{
			if (n > _size)
			{
				reserve(n);
				memset(_str + _size, ch, n - _size);
			}
			_size = n;
			_str[_size] = '\0';
		}
		//改变capacity
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}
		//尾插一个字符
		void push_back(char ch)
		{
			insert(_size, ch);
		}
		//尾插一个字符串
		string& append(const char* str)
	    {
			return insert(_size, str);
		}
		//+=重载 字符
		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		//+=重载 字符串
		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}
		//指定位置插入一个字符
		string& insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			//判断是否需要扩容
			if (_size + 1 > _capacity)
				reserve(2 * _capacity);
			//pos后的数据要往后挪，所以要从后往前移
			size_t end = _size + 1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				--end;
			}
			_str[pos] = ch;
			++_size;
			return *this;
		}
		//指定位置插入一个字符串
		string& insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			//判断是否需要扩容
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
				reserve(_size + len);
			size_t end = _size + len;
			while (end > pos + len - 1)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				--end;
			}
		//拷贝插入
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
			return *this;
		}
		//删除指定位置之后的字符
		string& erase(const size_t pos, size_t len = npos)
		{
			assert(pos <= _size);
			//有两种情况，一种是全删完，一种是删中间的一部分
			//全删完
			if (len == npos || pos + len > _size)//len == npos必须写，因为nops是无符号最大值，+的话会溢出
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			//删一部分
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
			return *this;
		}
		//寻找指定字符并返回下标
		size_t find(char ch, size_t pos = 0)const
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
				if (_str[i] == ch)
					return i;
			return npos;
		}
		//寻找指定字符串并返回下标
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0)const
		{
			assert(pos < _size);
			char* p = strstr(_str + pos, str);
			if (p == nullptr)
				return npos;
			return p - _str;
		}
		//清理字符串
		void clear()
		{
			_str[0] = '\0';
			_size = 0;
		}
		//缩容到他的size
		void shrink_to_fit()
		{
			char* temp = new char[_size + 1];
			strcpy(temp, _str);
			delete[] _str;
			_str = temp;
			_capacity = _size;
		}
		//判断字符串是否为空
		bool empty()
		{
			return _capacity == 0;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		static const size_t npos;
		//static const size_t npos=-1       vs下int类型支持给static和const同时修饰的变量用缺省值
	};
	 const size_t string::npos = -1;//静态成员遍历类外初始化
	//重载<<
	std::ostream& operator<< (std::ostream& out, const string& s)
	{
		//可以用范围for，也可以用迭代器   范围for是用宏写的，本质上也是迭代器！
		for (auto ch : s)
			out << ch;
		return out;
	}
	//重载>>
	std::istream& operator>> (std::istream& in, string& s)
	{
		//读取前要先清理掉原来存在的字符
		s.clear();
		//用get获取字符
		char ch = in.get();
		//先用一个数组存起来，再一起加
		char buff[128];
		size_t i = 0;
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			//原始方法，一个字符一个字符加太麻烦，先用一个数组存起来，再一起加
			//s += ch;
			buff[i++] = ch;
			if (i == 127)
			{
				buff[127] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;//重置i
			}
			ch = in.get();
		}
		//循环结束后可能还要一些字母没有存进去
		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}

	//遍历方法的展示
	void Print(const string& s)
	{
	  //下标遍历
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
			cout << s[i] << " ";
		cout << endl;
	  //迭代器遍历访问
		string::const_iterator it = s.begin();
		while (it != s.end())
		{
			cout << *it << " ";
			++it;
		}
		cout << endl;
	  //范围for
		for (auto &e : s)
			cout << e << " ";
		cout << endl;
	}

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