【C++指南】string（二）：深入探究 C++ `basic_string`：成员变量、函数全解析

倔强的石头

发布于 2025-03-15 20:31:19

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引言

在第一篇文章中【C++指南】string（一）：string从入门到掌握，我们对 C++ 中 string 的起源、basic_string 模板类以及相关字符串类型有了初步的了解。

本文将深入剖析 basic_string 的成员变量、默认成员函数、迭代器、容量管理、修改操作等各类成员函数，详细介绍它们的使用方法、功能特点以及遵循的规则。

`basic_string` 的成员变量

内部结构概述

basic_string 类模板通常包含几个关键的成员变量来管理字符串数据，虽然具体实现可能因编译器而异，但一般会有以下几个核心部分：

字符存储指针：指向存储字符串字符的动态分配内存区域。
字符串长度：表示当前字符串中实际字符的数量。
容量：表示当前分配的内存空间能够容纳的字符数量（包括字符串结束符）。

示例代码推测成员变量

虽然标准库没有公开 basic_string 的成员变量，但我们可以通过模拟实现来推测其可能的结构：

template <typename CharT, typename Traits = std::char_traits<CharT>, typename Allocator = std::allocator<CharT>>
class basic_string {
private:
    CharT* _data;  // 字符存储指针
    size_t _size;  // 字符串长度
    size_t _capacity;  // 容量
    // 其他可能的成员变量和实现细节
};

默认成员函数

构造函数

basic_string 提供了多种构造函数重载，以满足不同的初始化需求。

默认构造函数：创建一个空字符串。

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str;  // 默认构造，创建空字符串
    std::cout << "Empty string: " << str << std::endl;
    return 0;
}

带字符串字面量的构造函数：使用字符串字面量初始化字符串。其中这个构造函数是日常中最常用的

std::string str("Hello, World!");
std::cout << "Initialized with literal: " << str << std::endl;

带重复字符的构造函数：使用指定字符重复多次初始化字符串。

std::string str(5, 'a');  // 初始化为 "aaaaa"
std::cout << "Repeated characters: " << str << std::endl;

拷贝构造函数：创建一个新字符串，其内容是另一个字符串的副本。

std::string original("Original");
std::string copy(original);
std::cout << "Copied string: " << copy << std::endl;

析构函数

析构函数负责在字符串对象生命周期结束时释放其占用的内存资源，防止内存泄漏。在使用 std::string 时，我们无需手动管理内存，析构函数会自动完成这些工作。

{
    std::string str("Temporary");
    // 当 str 离开作用域时，析构函数自动调用
}

赋值运算符重载

赋值运算符用于将一个字符串的值赋给另一个字符串。

std::string source("Source");
std::string destination;
destination = source;
std::cout << "Assigned string: " << destination << std::endl;

迭代器

迭代器类型

basic_string 支持多种迭代器类型，用于遍历字符串中的字符。

正向迭代器：begin() 和 end() 分别返回指向字符串起始和结束位置（最后一个字符的下一个位置）的迭代器。

std::string str("Iterate");
for (auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it) {
    std::cout << *it << " ";
}
std::cout << std::endl;

反向迭代器：rbegin() 和 rend() 分别返回指向字符串末尾和起始位置（第一个字符的前一个位置）的反向迭代器。

for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit) {
    std::cout << *rit << " ";
}
std::cout << std::endl;

常量迭代器：cbegin()、cend()、crbegin() 和 crend() 用于遍历常量字符串，确保不会修改字符串内容。

const std::string constStr("Constant");
for (auto cit = constStr.cbegin(); cit != constStr.cend(); ++cit) {
    std::cout << *cit << " ";
}
std::cout << std::endl;

迭代器的使用规则

迭代器可以进行递增（++）和递减（--）操作，用于移动到下一个或前一个字符位置。
可以使用 * 运算符解引用迭代器，获取当前指向的字符。
在使用迭代器时，要确保迭代器的有效性，避免越界访问。

容量管理

容量相关函数

size() 和 length()：返回字符串中当前存储的字符个数，这两个函数功能相同。
一般我们都会选择使用size函数，因为size函数在C++中的其他容器中也是通用的，只有length函数是因为历史发展原因string所独有的

std::string str("Capacity");
std::cout << "Size: " << str.size() << ", Length: " << str.length() << std::endl;

capacity()：返回字符串当前已分配的内存空间能够容纳的字符个数，通常大于或等于 size()。

std::cout << "Capacity: " << str.capacity() << std::endl;

reserve()：预先分配一定大小的内存空间，避免在字符串增长过程中频繁的内存重新分配，提高性能。

str.reserve(20);
std::cout << "Reserved capacity: " << str.capacity() << std::endl;

resize()：改变字符串的长度。
若新长度小于原长度，则会截断字符串；
若新长度大于原长度，会在字符串末尾填充指定字符（默认为空字符）；
若新长度大于string容量，则会扩容，并在补充的部分添加指定字符

str.resize(3);
std::cout << "Resized string: " << str << std::endl;
str.resize(5, 'x');
std::cout << "Resized and filled: " << str << std::endl;

容量管理规则

当字符串长度超过当前容量时，basic_string 会自动重新分配更大的内存空间，并将原有字符复制到新的内存区域。
reserve() 只是预先分配内存，不会改变字符串的长度。
resize() 会直接改变字符串的长度，可能会导致内存重新分配。

修改操作

插入操作

一般我们用的最多的还是 operator+=，相当于尾插，而insert和erase非必要尽量不用，因为前插涉及到挪动数据，会存在效率的问题

insert() 函数用于在字符串的指定位置插入字符或字符串。

std::string str("Insert");
str.insert(2, "abc");  // 在位置 2 插入 "abc"
std::cout << "Inserted string: " << str << std::endl;

删除操作

erase() 函数用于删除字符串中指定位置或范围的字符。

str.erase(2, 3);  // 从位置 2 开始删除 3 个字符
std::cout << "Erased string: " << str << std::endl;

追加操作

push_back()：在字符串末尾添加一个字符。

str.push_back('!');
std::cout << "Pushed back: " << str << std::endl;

append() 和 operator+=：用于在字符串末尾追加字符或字符串。

str.append(" World");
std::cout << "Appended string: " << str << std::endl;
str += "!";
std::cout << "Appended with +=: " << str << std::endl;

修改操作规则

插入和删除操作可能会导致内存重新分配和字符移动，影响性能。
追加操作通常比插入操作更高效，因为它只在字符串末尾进行操作。

其他相关函数

查找函数

find()：在字符串中查找指定的字符或子串，返回其第一次出现的位置，如果未找到则返回 std::string::npos。

std::string str("Find me");
size_t pos = str.find("me");
if (pos != std::string::npos) {
    std::cout << "Found at position: " << pos << std::endl;
} else {
    std::cout << "Not found" << std::endl;
}

rfind()：从字符串末尾开始查找，返回最后一次出现的位置。

替换函数

replace() 用于将字符串中指定范围的字符替换为其他字符或子串。

str.replace(0, 4, "Replace");
std::cout << "Replaced string: " << str << std::endl;

比较函数

compare() 用于比较两个字符串的大小，返回一个整数表示比较结果。

std::string str1("Hello");
std::string str2("World");
int result = str1.compare(str2);
if (result < 0) {
    std::cout << str1 << " is less than " << str2 << std::endl;
} else if (result > 0) {
    std::cout << str1 << " is greater than " << str2 << std::endl;
} else {
    std::cout << str1 << " is equal to " << str2 << std::endl;
}

总结

本文详细介绍了 C++ basic_string 的成员变量、默认成员函数、迭代器、容量管理、修改操作以及其他相关函数。通过深入了解这些内容，我们可以更加灵活和高效地使用 std::string 及其相关类型。在实际编程中，合理运用这些函数可以提高代码的可读性和性能，避免常见的错误和问题。后续我们还将进一步探讨 basic_string 的底层实现和一些高级应用场景。

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原始发表：2025-03-14，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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