【C++】C++STL 揭秘:Strng背后的底层逻辑
原创
在上篇介绍string类的使用与理解，本篇将为大家来带关于string的底层实现逻辑，当然这不是一定库里面的实现逻辑。我们设计一个string类是为了在使用string类相关容器是，知道这个接口销毁是如何的，是为了我们更好的使用string类相关接口
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一、模拟现实string准备工作
在模拟实现string过程中，为了避免跟库中string发生冲突，需要创建个命名空间，在命名空间中实现string。
namespace str
{
class string
{
};
}string底层是动态字符串顺序表，对此string中需要这个四个成员变量作为支架。_str:指向动态开辟的空间 _size:有效数据个数 _capacity：容量空间的大小(不包括\0，实际空间包括) npos：静态成员变量，表示最大值(属于整个类)
namespace str
{
class string
{
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
static const size_t npos;
};
//在类外初始化
const size_t string:: npos = -1;
}二、构造函数
2.1 无参构造函数
string()
:_str(new char[1])//为'\0'开一块空间
:_size(0)
:_capacity(0)
{
_str[_size] = '\0';
}2.2 有参构造函数
string(const char* str)
:_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}先确定str有效字符串长度，再决定申请多大空间，最后将str中内容拷贝给该对象
2.3 全缺省构造函数
瑕疵版本：
string(const char *str = nullptr)
:_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}不足在于：当缺省值为nullptr时，strlen计算大小会报错，strlen会对参数部分解引用操作。同时这里strlen函数调用多次，效率降低。
完善版本：
string(const char *str="")
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}缺省值给**""**空字符串，编译器会自动填充**\0**，达到了无参的要求。无参调用时，调用strlen()函数计算大小为0。虽然缺省值可以直接给\0，但是没有必要，会导致有两个\0存在。
小结：在实践中推荐只保留一个全缺省构造函数。
三、析构函数
~string()
{
delete[]_str;
_size = _capacity = 0;
}清空_str指向动态空间中的资源，delete[] _str会调用析构函数和free释放空间。
四、交换函数Swap
//string类中
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//string类外
void swap(string& x,string &y)
{
x.swap(y);
}这里实现了在string类外和string类中的交换函数swap，但是类外的本质还是调用类中的swap。虽然算法库有swap函数模板，但是需要走深拷贝，代价很大，这里需要重现实现swap函数。
实现一个成员函数，通过交换属性(值拷贝)，代价较少。虽然本质还是调用算法库中库函数，但是使用方式不同，付出的代价也不同。
小结:在使用swap函数时，需要根据自己的需求来使用，不然会弄巧成拙的
五、拷贝构造函数
5.1 传统写法
string(const string& s)
{
_str = new char[s._capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
具体流程：_str指向空，该对象没有被实例化。先开辟一块跟被拷贝对象等大的空间，再将数据拷贝一份。拷贝构造是将其他对象数据，拷贝到新的对象中。这本身是不影响被拷贝对象。
5.2 现代写法
string(const string& str)
{
string ss(str._str);
swap(ss);
}
具体流程：_ str指向空，该对象没有被实例化。先调用string ss(str. _str)构造函数，得到一份str._str相同数据跟_str交换。相当于就是 _str和打工仔ss进行交互，完成拷贝操作。
这不采用**string ss(s)**拷贝构造，在拷贝构造中调用拷贝构造，本身就是闭环。
小结： 无论是现代写法还是传统写法，在效率上是一样的，主要在于书写行数的关系 现代写法和传统写法参数相同，不能构成函数重载，只能选择一个使用
六、operator
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}具体分析: 首先operator[]是调用函数，并且有两个函数重载 其次operator[]是个大进步，对于检查越界的情况 如果是数组的话，很难检查是否有越界情况发生(越界检查是一种抽查，在容易越界的地方，放几个值，看这个值是否被修改)。越界读的话，很难发现越界，是很危险的 operator[]实现中，有assert判断是否出现有越界的情况。 关于
const char& operator[](size_t pos) const情况，是为了对于被const修饰对象，也可以访问其元素，并且仅限于读权限
七、operator=(赋值运算符重载)
7.1 传统写法
string& operator=(const string& str)
{
char* tmp = new char[str._capacity + 1];
strcpy(tmp, str._str);
delete[]_str;
_str = tmp;
_size = str._size;
_capacity = str._capacity;
return *this
}
具体说明：
赋值操作是发生于两个对象已经创建完毕，对此被赋值对象自然存在一块空间，需要等着被清除资源。这里赋值拷贝不能影响到赋值对象，可以采用使用一个临时变量进行中间过程交换，开辟跟被拷贝对象等大的空间，将数据拷贝，将_str指向旧空间释放，指向tmp指向空间完成赋值。
tmp是函数内部声明的自动变量(局部变量)，出作用域会自动销毁，但是指向堆上分配的内存不会因为tmp的销毁而释放，导致_str指向那块空间不会被回收，顺便完成了tmp指向空间为空操作。
7.2 现代写法
string& operator=(const string& s)
{
string ss(s);
swap(ss);
return *this;
}
这里不用担心ss对象指向空间没有得到释放，ss对象属于局部对象，出了函数作用域就会调用析构函数和销毁。
7.3 现代写法优化
string& operator=(string ss)
{
swap(ss);
return *this;
}相对于上面的现代写法，这里在传参的过程中完成了拷贝构造。
小结: 无论是现代写法还是传统写法，在效率上是一样的，主要在于书写行数的关系 现代写法和传统写法参数相同，不能构成函数重载，只能选择一个使用
八、Size（获得字符串长度）
size_t size(const string& s) const
{
return s._size;
}九、Capacity(获得容量大小)
size_t capacity(const string& s) const
{
return s._capacity;
}十、resever
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[]_str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}说明: reserve只有在所需空间超过当前容量才起到扩容作用 让打工仔tmp开辟满足条件的空间，_str在进行拷贝、销毁、转化指向 这里需要改动_capacity就行， _size代表是有效个数
十一、resize
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
if (n <= _size)
{
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
else
{
//提前开辟好空间
reserve(n);
for (size_t i = _size; i < n; i++)
{
_str[i] = ch;
}
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}说明: 使用resize需要考虑三种情况，但是模拟实现可以只考虑两种情况 提前使用reserve开辟好空间，避免扩容操作，将两种情况处理成一种情况 当n小于等于当前大小，需要使用
\0的形式截断字符串 当n大于等当前容量，就是按照ch完成填充新开辟空间
十二、insert
12.1 任意位置插入字符
瑕疵版本：
void insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
// 扩容2倍
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
}
size_t end = _size;
while (end >= pos)
{
_str[end + 1] = _str[end];
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}不足之处:从代码的逻辑来看，感觉是没啥问题。如果选择在首位置插入数据，end进行--操作变成负数。由于end类型为size_t 无符号整数会导致end为最大值，循环不会停下。
尝试调正:那么将end设置为符号整型，就可以保证它可以为负数
int end = _size;
while (end >= pos)
{
_str[end + 1] = _str[end];
--end;
}但是end和pos是不同类型的变量，在进行比较时，编译器会执行整型提升，size__t隐式转化为int类型再比较。
最终方案:
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}让end指向结尾下一个位置。在数据移动的时候，解决了首位置插入end等于pos移动导致死循环的问题。
12.2 任意位置插入字符串
void insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
//通过strncpy将需要插入字符串覆盖，完成插入
strncpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
}
具体流程:先提前判断插入字符串长度是否会超过当前容量，这里同上面一致将元素移动备份，将待插入元素进行覆盖操作。需要注意插入在首位置死循环的问题，同样采取上面的解决办法：向后移动N位预留空间。代码逻辑可以参考中两张图片理解。
#十三、push_back
void push_back(char ch)
{
// 扩容2倍
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';
//insert(_size, ch);
}说明: 插入单个字符时，需要判断空间是否充足 跟顺序表的尾插差不多 实现任意位置插入，直接内部调用insert也是可以的
十四、append
void append(const char* str)
{
// 扩容
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, str);//在尾部拷贝完成添加操作
_size += len;
//insert(_size, str);
}说明: 当然可以选择一开始直接扩容 插入字符串时，需要判断空间是否充足 跟顺序表的尾插差不多 实现任意位置插入，直接内部调用insert也是可以的
十五、operator +=
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}十六、find
16.1 寻找字符
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;
}说明: 从任意位置遍历，找到返回该位置索引 没有找到就返回npos(-1) const修饰函数，仅限于读权限
16.2 寻找字符串
size_t find(const char* sub, size_t pos = 0) const
{
assert(pos < _size);
const char* p = strstr(_str + pos, sub);
if (p)
{
return p - _str;
}
else
{
return npos;
}
}说明: strstr匹配所需字符串，返回匹配到字符串第一个位置 如果为空，表示不存在 如果找到了，利用指针-指针，得到下标位置索引
十七、substr
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
string sub;
//if (len == npos || len >= _size-pos)
if (len >= _size - pos)
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
sub += _str[i];
}
}
else
{
for (size_t i = pos; i < pos + len; i++)
{
sub += _str[i];
}
}
return sub;
}说明： substr功能是返回从指定位置开始len长度的字符串 先创建string空对象用于接收截取字符串 当
len == npos或len >= _size - pos，代表了从pos位置到尾的字符串截取。 尽量书写**len >= _size - pos**，而不是**len + pos >= _size**这种，是为了防止**len + pos**超过类型最大值范围
十八、clear
void clear()
{
_size = 0;
_str[_size] = '\0';
}清空资源，不释放空间
十九、erase
void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
assert(pos <= _size);
if (pos > _size - len || len==npos)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}
具体说明:如果长度大于从指定位置到结束位置的长度，只需要在pos位置设置结束标识符。不然的话，就是将需要清空位置被后面的内容覆盖就行。如果对于strcpy这块逻辑不明白，可以回顾下strcpy使用方法。
二十、运算符重载
bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());
return ret == 0;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());
return ret < 0;
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
{
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 <= s2);
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 < s2);
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 == s2);
}说明:跟类和对象实现日期Date是一样的，具体有需要点击该连接日期类
二十一、实现迭代器
21.1 可读可修改
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}22.2 可读不可修改
typedef const char* iterator;
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}说明: 迭代器是一个像指针的东西，可以是指针，也可以不是指针，具体还需要看底层实现 这里使用指针实现迭代器，返回第一个位置和最后一个位置的下一个位置。
二十三、模拟实现流插入和流提取
23.1 operator<<（流插入）
#include<iostream>
using namespace std;
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
for (auto ch : s)
{
out << ch;
}
return out;
}说明:
operator是C++标准库中的一个类，用于输出数据流，位于标准命名空间std中。对此需要引用std命名空间访问。out << ch;重载的<<运算符用于将字符ch写入输出流out是C++标准库中重载
23.2 operator>>（流提取）
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear();
char ch;
//in >> ch;
ch = in.get();
char buff[128];
size_t i = 0;
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
buff[i++] = ch;
// [0,126]
if (i == 127)
{
buff[127] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
return in;
}具体流程：首先clear先清空对象中的资源，这里需要考虑char类型的最大值为128，创建个数组用于输入到类中，使用operator+=将得到的字符串输入到对象中。
流提取是将从键盘中读取的数据存储到s对象中，至于返回类型为**istream&**是为支持连续流提取操作**cin >> s >> s2**。string中getline接口模拟实现是一样的就不展开.
头文件：string.h
#pragma once
#include <assert.h>
#include <iostream>
using namespace std;
//模拟实现string 4.4
//设置命名空间，防止跟库中string有冲突
namespace bit
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}
//\0会占用一块空间
//无参构造
//string()
// :_str(new char[1])
// ,_size(0)
// ,_capacity(0)
//{
// _str[_size] = '\0';
//}
//有参构造
//string(const char* str)
// :_size(strlen(str))
// ,_capacity(strlen(str))
//{
// _str = new char[_capacity + 1];
// strcpy(_str, str);
//}
//全缺省值构造
string(const char *str="")
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
////析构构造
//~string()
//{
// delete[]_str;
// _size = _capacity = 0;
//}
//构造函数s1(s2)
//传统写法--c_str作用还是不明白
//string(const string& s)
//{
// _str = new char[s._capacity + 1];
// strcpy(_str, s._str);
// _size = s._size;
// _capacity = s._capacity;
//}
//现代写法s1(s2)
//string(const string& s)
//{
// //string ss(s);//为什么需要做一份拷贝呢？不会递归死循环吗？
//
// //不能在拷贝构造里面，调用拷贝构造，应该调用构造，大小和容量可以根据字符串来计算
// string ss(s._str);
// swap(ss);//这里完成的是交换，是s1拷贝s2一份，s2本身不跟s1交换
//}
//意思是在传参的时候，进行了拷贝构造，但是拷贝构造还没有实现
//string(string ss)
//{
// swap(ss);
//}
//修改string的接口
//赋值operator=
//传统写法 s1=s2;
string& operator=(const string& s)
{
char* tmp = new char[s._capacity + 1];
strcpy(tmp, s._str);
delete[]_str;
_str = tmp;
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
return *this;
}
//现代写法
string& operator=(const string& s)
{
//可以使用构造或者使用拷贝构造
string ss(s._str);
swap(ss);
return *this;
}
//优化 有拷贝构造基础上
string& operator=(string ss)
{
swap(ss);
return *this;
}
//遍历
size_t size(const string& s) const
{
return s._size;
}
size_t capacity(const string& s) const
{
return s._capacity;
}
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
//扩容操作
void reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[]_str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
//如果小于该容量
if (n <= _capacity)
{
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
else
{
//提前开辟好空间
reserve(n);
for (size_t i = _size; i < n; i++)
{
_str[i] = ch;
}
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}
//插入操作
void push_back(char ch)
{
//判断容量是否满了
if (_size == _capacity)
{
//是否为一开始的状态，就是为空待插入
reserve(_capacity == 0 ? 2 : 2 * _capacity);
}
_str[_size] = ch;
_size++;
_str[_size] = '\0';
}
void append(const char* str)
{
//不用想这么多，先扩容先
size_t len = strlen(str);
//里面会给\0开辟一块空间
reserve(_capacity+len);
strncpy(_str + _size, str, len);
_size = _size + len;
}
void swap(string& s)//做值拷贝，属性交换，避免深拷贝
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
//实现更加轻松的+=
string& operator+=(const char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}
void insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 2 : 2 * _capacity);
}
//size_t end = _size;
////0<end end>=0
//while (end > pos)
//{
// _str[end] = _str[end - 1];
// end--;
//}
//_str[pos] = ch;
//_size++;
//_str[_size] = '\0';
//从\0开始移动
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}
void insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
strncpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
}
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos <= _size);
if (pos + len > _size || len==npos)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
assert(pos <= _size);
for (size_t i = 0; i < pos; i++)
{
if (_str[i] == ch)
return i;
}
return npos;
}
size_t find(char* sub, size_t pos = 0) const
{
assert(pos <= _size);
const char* p = strstr(_str + pos, sub);
if (p == nullptr)
return npos;
else
return p - _str;
}
//功能是从某个位置打印len长度的字符串
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{
assert(pos <= _size);
string sub;
//这里怕pos+len会太大
//打印拿出来
if (pos > _capacity - len || len==npos)
{
for (size_t i = pos; i <_size; i++)
{
sub += _str[i];//i=size-1
}
}
//没有超过
else
{
for (size_t i = pos; i < pos + len; i++)
{
sub += _str[i];
}
}
return sub;
}
//当你将 sub 返回时，std::string 类会自动确保字符串以 null 结尾。不需要手动添加 \0。
const char* c_str() const
{
return _str;
}
void clear()
{
_size = 0;
_str[_size] = '\0';
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
static const size_t npos;
};
static const size_t nops = -1;
void swap(string& x,string &y)//实现两个swap 外面的swap实际还是调用里面的swap
{
x.swap(y);
}
bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());
return ret == 0;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
int ret = strcmp(s1.c_str(), s2.c_str());
return ret < 0;
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
{
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 <= s2);
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 < s2);
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{
return !(s1 == s2);
}
//需要实现迭代器
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
for (auto ch : s)
{
out << ch;
}
return out;
}
iostream& operator>>(iostream& in, string& s)
{
//先对资源清空
s.clear();
char buff[128];
char ch;
ch=in.get();
size_t i = 0;
while (ch != '\n' && ch != ' ')
{
buff[i++] = ch;
if (i == 127)
{
buff[127] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
//已经手动输入过了
return in;
}
istream& getline(istream in, string& s)
{
//先对资源清空
s.clear();
char buff[128];
char ch;
ch = in.get();
size_t i = 0;
while (ch != '\n' && ch != ' ')
{
buff[i++] = ch;
if (i == 127)
{
buff[127] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
//已经手动输入过了
return in;
}
}
以上就是本篇文章的所有内容，在此感谢大家的观看！这里是店小二呀C++笔记，希望对你在学习C++语言旅途中有所帮助！
原创声明：本文系作者授权腾讯云开发者社区发表，未经许可，不得转载。
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