C++ STL学习之【string的模拟实现】
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- The key is to keep company only with people who uplift you, whose presence calls forth your best.
- 关键是只与那些提升你的人在一起，他们的存在唤起了你最好的一面。
@[toc]
🪁前言
string 本质上就是一个专注于存储字符的顺序表，使用起来很方便；但在模拟实现 string 时，有许多值得注意的点，下面就来看看 string 类是如何诞生的吧
==注意：== string 接口众多，本文模拟实现的只是部分常用接口
🥏正文
==跟着官方文档走，string 分割成了几个部分进行实现==
1、结构
string 本质上就是一个顺序表，因此它也是由 指针、大小、容量 这几部分组成
namespace Yohifo //命名空间
{
//定义一个 string 类
class string
{
private:
char* _str; //数据指针
size_t _size; //大小
size_t _capacity; //容量
};
}
大小 和 容量 设为 size_t，上限值为 42亿多，即无符号整型 -1，这个值常常被用来当作循环结束判断条件和查找时未找到的标志，因此有一个专门用来表示 size_t -1 的变量 npos
public:
static const size_t npos = -1; //定义能全局使用的 npos 值（public）
npos 需要设置为公开，否则类外就无法使用了
==注意：==
npos类型为static const size_tstatic修饰后，npos只能被初始化一次- 而加了
const后，允许在类中赋予缺省值进行初始化，如果不加const，则必需到类外手动初始化静态成员 - ==const 修饰的静态变量，只允许整型家族在类中设置缺省值==
static const char c = 1; //合法，为整型家族
static const double d = 3.14; //非法，只允许整型家族操作
2、默认成员函数
string 中的四大默认成员函数需要自己设计，因为涉及空间申请与释放，以及后续的深拷贝问题
其他的两个默认成员函数没有必要自己设计，库中的就已经够用了
==注意：== 此时的默认成员函数均在类中直接实现，成为内联函数
2.1、构造与析构
==构造函数==
使用缺省参数，当用户未传递字符串时，将 string 对象初始化为空串；此时 构造函数 可以利用初始化列表进行初始化
//default 默认成员函数
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
{
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1]; //预留 '\0' 的位置
strcpy(_str, str);
}
==注意：==
- 为了确保程序的正确性，在初始化列表中只初始化
大小，再将大小赋值给容量，避免出现赋值为随机值的情况（初始化列表初始化顺序只与类中的声明顺序有关） - ==开辟空间时，需要多开一个空间，存储 ‘\0’==
==析构函数==
析构函数 中在释放内存时，统一为 delete[] 的形式，因此其他地方在申请内存时，即使只申请一个 char，也要写成 new char[1] 的形式，目的就是与销毁对应
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
2.2、拷贝与赋值
==拷贝构造==
涉及空间开辟，此处为深拷贝，即先开辟一块等量空间，再拷贝数据至新空间，完成拷贝
string(const string& s)
{
//将 s 对象拷贝给 *this
_str = new char[s._capacity + 1]; //开空间、赋值，深拷贝
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
strcpy(_str, s._str);
}
==注意：== 在申请空间后，一定要 记得使用 strcpy 进行数据拷贝，否则就是无效操作
==赋值重载==
赋值重载 函数在实现时需要注意几种情况：
- 是否为同一对象的赋值
- 被赋值对象空间是否足够
前者用一个判断就可以很好解决，而后者在设计时，是 先借助临时变量开辟空间，若空间开辟成功，则将数据拷贝至新空间，释放原空间，改变指针 _str 指向；若空间开辟失败，则抛出异常，同时还确保了原空间数据不被损坏
string& operator=(const string& s)
{
if (this != &s)
{
char* tmp = new char[s._capacity + 1]; //考虑创建失败的情况
strcpy(tmp, s._str);
delete[] _str; //释放原空间
_str = tmp; //改变指针指向
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this; //需要返回，避免 a = b = c 连续赋值情况
}
3、访问数据
string 离不开数据访问函数，如同顺序表一样，可以直接通过 [] + 下标 访问数据，同时也可以通过 迭代器 访问数据
==注意：== 下标访问 在类中定义，类外实现；迭代器 则是直接在类中定义
3.1、下标访问
类中的数据为私有，无法直接访问，但可以 通过函数间接访问
#include"String.h"
using namespace Yohifo;
//access 访问相关
char& string::operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size); //下标必须小于 _size
//通过下标访问
return _str[pos];
}
//需要再提供一个 const 版本
const char& string::operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
==注意：== 在类外实现的函数，需要先包含命名空间(这里使用的是全局展开)，再通过 :: 访问到指定的类，才能正常实现函数
3.2、迭代器访问
迭代器 是 STL 六大组件之一，适用于所有容器，我们这里只是简单模拟实现 迭代器，使用的是获取原生指针的方式
//需要通过 typedef 重命名数据类型
typedef char* iterator; //简易迭代器
typedef const char* const_iterator; //简易const迭代器
//iterator 迭代器
iterator begin()
{
return _str;
}
const_iterator cbegin() const
{
//需要再新增一个 const 版本
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
const_iterator cend() const
{
return _str + _size;
}
下面来看看通过 原生指针 实现的 迭代器 效果：
4、修改数据
string 支持对其中的数据进行任意修改：尾插字符、尾插字符串、任意位置插入删除都可以
4.1、尾插
尾插即 push_back，这个东西在数据结构实现阶段已经很熟悉，对于顺序表直接在尾部插入数据即可，当然插入前需要先判断是否需要扩容
//modify 修改相关
void string::push_back(char ch)
{
//检查容量是否足够
if (_size + 1 > _capacity)
{
_capacity == 0 ? _capacity = 1 : 0;
reserve(2 * _capacity); //二倍扩容
}
//尾插字符
_str[_size] = ch;
_str[++_size] = '\0';
}
==注意：== VS 中的 string 扩容机制为 1.5 倍扩容，我们这里直接采用二倍扩容的方式
4.2、附加
append 译为附加，指在 string 尾部附加 n 个字符或 str 字符串
==附加字符==
附加字符直接调用 n 次 push_back 即可，不过值得注意的是，为了避免二倍扩容而造成的空间浪费，可以提前将空间扩容至 _size + n 节省空间
string& string::append(size_t n, char ch)
{
//复用代码，尾插n次
//提前开空间
if (_size + n > _capacity)
reserve(_size + n);
while (n--)
push_back(ch);
return *this;
}
==附加字符串==
附加字符串的话，同样需要判断空间是否足够，如果不够就扩容，然后再 调用库函数 strcat 即可完成字符串附加
string& string::append(const char* str)
{
int len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
reserve(_size + len);
//调用库函数
strcat(_str, str);
_size += len;
return *this;
}
==注意：== 附加字符串在完成操作后，需要对 _size 作出改变
4.3、重载
push_back 和 append 在实际中用的都比较少，一般是直接使用运算符重载 += 实现拼接
==+= 实际就是对尾插字符和尾插字符串这两种功能的封装，使用起来更加方便==
string& string::operator+=(char ch)
{
//复用
return append(1, ch);
}
string& string::operator+=(const string& s)
{
//复用
return append(s._str);
}
复用代码可以尽可能的减少错误的出现
4.4、任意位置插入、删除
==任意位置的操作，需要对原数据进行挪动==
尤其是 pos = 0 处的操作，需要格外注意
==任意位置插入==
可以分为两步：挪动数据、插入数据
string& string::insert(size_t pos, size_t n, char ch)
{
assert(pos < _size);
if (_size + n > _capacity)
reserve(_size + n);
//挪动
size_t end = size() + n; //错位
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - n];
end--;
}
//赋值
//从 pos 位置开始，插入 n 个字符
size_t count = n;
while (count--)
{
_str[pos++] = ch;
}
_size += n;
return *this; //有返回值
}
假设存在 string 对象为 "abcde"，现需要在 pos = 0 位置插入 "123"，具体执行结果如下所示
==注意：== while 循环中，不推荐将条件写为 >= ，因为两者都是 size_t 类型，当 pos = 0 时，可能会出现死循环的情况，因此推荐写为 > 的方式，定义 end 在 size() + n 处，这样错位处理后可以有效避免死循环问题
string 也支持任意位置插入字符串，此时挪动 len 个字符，再通过 strncpy 函数覆盖字符串即可
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos < _size);
int len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
reserve(_size + len);
//挪动
size_t end = size() + len;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
//衔接
strncpy(_str + pos, str, len); //注意：只拷贝 len 个
return *this;
}
strncpy 拷贝 len 个字符，避免将字符串 str 中的 '\0' 也拷贝进去
==任意位置删除==
任意位置删除函数为 全缺省参数：
- 参数1
size_t pos，默认pos = 0 - 参数2
size_t len，默认len = npos
删除元素分为两种情况
- 元素不够删或
len == npos，此时需要全部删除，即_size = 0 - 元素足够删，将
pos + len处的字符串覆盖至pos处
string& string::erase(size_t pos, size_t len)
{
assert(pos < _size);
assert(!empty());
if (len == npos || _size < pos + len)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}
假设存在 string 对象为 "123abcde"，现需要在 pos = 3 位置删除 2个元素，具体执行结果如下所示
删除并不是真删除，只要合理的调整
'\0'位置和_size值，使访问不到后续元素就行了
erase 还支持通过迭代器区间删除元素，实现很简单，通过 指针 - 指针 获取元素个数(下标)，复用上面的代码就行了
string::iterator string::erase(iterator begin, iterator end)
{
//复用
erase(begin - _str, end - _str);
return this->begin();
}
5、查看容量
顺序表支持查看各种数据，如大小、容量，同时动态增长的顺序表还有一个不可缺的功能：扩容，对应到 string 中，扩容由 reserve 完成，而调整大小由 resize 负责
5.1、大小、容量、判空
获取这些数据时，因为不需要对 *this 做出修改，这里均使用 const 修饰 *this
// capacity 容量相关
size_t string::size() const
{
return _size;
}
size_t string::capacity() const
{
return _capacity;
}
bool string::empty() const
{
return _size == 0;
}
这三个函数很简单，不做过多赘述
5.2、扩充容量
reserve 可以扩充 _str 的容量，具体使用时，只需要通过 reserve(size_t capacity) 的方式，即可将 _str 容量改变为 capacity
==注意：==
- 传入的
capacity可能小于或等于_capacity，此时不需要缩容，什么操作都不需要 - 传入的
capacity大于_capacity，正常扩容，具体逻辑和赋值重载一致
void string::reserve(size_t capacity)
{
//Mask：当扩容容量小于 _size 值时，_size 会变成什么样子
//Reply: 不变，连 _capacity 也不变
if (capacity > _capacity)
{
//开空间+拷贝
char* tmp = new char[capacity + 1];
strcpy(tmp, _str);
//释放空间+改变指向
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = capacity;
}
}
5.3、调整大小
resize 函数为半缺省参数，缺省参数为参数2 char ch = '\0'，参数1为 size_t size
调整大小的步骤：
- 判断
size是否大于_capacity，如果大于则需要扩容 - 从
_size处开始，填入字符ch，直到size结束 - 重新赋值
_str[_size] = '\0'
void string::resize(size_t size, char ch)
{
//考虑扩容的情况
if (size > _capacity)
reserve(size);
//如果给定的容量大于 _size 就需要植入字符
while (_size < size)
_str[_size++] = ch;
_size = size; //重新赋值，以防 _size > size的情况
_str[_size] = '\0'; //置 '\0'
}
==注意：== _size = size 这一步不能省略，防止 size 小于 _size 时大小不改变的问题
6、运算符重载
string 中还存在许多重载函数
6.1、字符串相加
"abc" + "123" = "abc123" 这种情况是合法的，当然也存在这个相加函数，无非就是借助临时变量做字符或字符串附加操作
//operator 运算符重载
string string::operator+(char ch) const
{
string tmp(*this); //传值返回，需要借助第三方变量
tmp.push_back(ch);
return tmp;
}
string string::operator+(const string& s) const
{
string tmp(*this);
tmp.append(s._str);
return tmp;
}
==注意：== 对于操作双方都不能作出修改，因此需要借助临时变量 tmp；返回时，需要使用传值返回，接收时调用拷贝构造，因为 tmp 是局部变量
6.2、逻辑判断
string 对象的大小判断是借助于 ASCII 码值，可以直接使用 strcmp 函数
只需要实现 小于 和 等于 判断，其他逻辑判断可以复用代码
bool string::operator<(const string& s) const
{
//直接调用库函数
return strcmp(_str, s._str) < 0;
}
bool string::operator>(const string& s) const
{
//复用逻辑
return !(*this <= s); //不小于等于就是大于
}
bool string::operator==(const string& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool string::operator!=(const string& s) const
{
return !(*this == s); //等于取反就是不等于
}
bool string::operator<=(const string& s) const
{
return (*this < s) || (*this == s); //小于或等于
}
bool string::operator>=(const string& s) const
{
return !(*this < s); //不小于就是大于或等于
}
7、其他
string 中还有其他实用的函数，如查找字符或字符串、清理字符串、交换两个字符串等
7.1、查找
==查找字符==
传入目标字符，遍历一遍字符串，若找到，返回目标下标，没找到返回 npos
默认 size_t pos = 0 从 0 处开始向后查找，也支持传入参数从指定位置开始查找
//other 其他
size_t string::find(char c, size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
//从 pos 位置开始，挨个比较
while (pos < _size)
{
if (_str[pos] == c)
return pos;
pos++;
}
return npos; //没找到返回 npos
}
==查找字符串==
在算法界存在一个大名鼎鼎的字符串查找算法：KMP 匹配算法，该算法在子串重复字符较多时比较实用，效率很高，但在实际中，字符串中的重复字符较少，使用 KMP 的查找效率和 strstr 暴力匹配效率相差不大，所以这里直接调用函数 strstr
size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
//此处可以使用 KMP 算法，不过意义不大
char* dst = strstr(_str, s); //调用库函数
if (dst == NULL)
return npos;
return dst - _str; //返回下标（位置）
}
==注意：== 指针 - 指针 就是实际找到字符串的下标(位置)
7.2、清理、交换
有时候需要将字符串中的内容一键清空，有时候也需要将两个字符串进行交换
==清理==
清理的逻辑很简单，令 _size = 0，再令 _str[_size] = '\0' 即可
void string::clear()
{
//置空
_size = 0;
_str[_size] = '\0';
}
==交换==
可以直接使用库中的 swap 交换函数，但这样做的 效率较低，会发生多次拷贝构造操作，而且都是 深拷贝，可以稍微变通下，将 string 中的三个成员分别 swap，此时是 浅拷贝，效率很高，也能完成交换任务
void string::swap(string& s)
{
//直接调用库函数进行三次浅拷贝，避免发生深度拷贝构造行为
std::swap(_str, s._str); //交换指针
std::swap(_size, s._size); //交换大小
std::swap(_capacity, s._capacity); //交换容量
}
7.3、获取原生指针
C++兼容C语言，在部分场景中，需要获取指针字符串的指针，但此时 _str 为私有成员，所以需要通过函数间接获取指针 _str
char* const string::c_str() const
{
//返回原生指针，方便与 C语言 接口统一
return _str;
}
8、读取与写入
流操作是 string 中少有的类外成员函数，因为此时的左操作数为 ostream 或 istream
==注意：== 这里不需要设为友元函数，因为有很多函数可以辅助我们完成任务
8.1、流插入
将 string 对象的内容直接输出到屏幕上
通过下标访问的方式输出内存
//流插入
ostream& Yohifo::operator<<(ostream& _cout, const string& s)
{
//借助访问函数，输出字符串
size_t pos = 0;
while (pos < s.size())
_cout << s[pos++];
return _cout;
}
还可以使用 迭代器 或 原生指针 输出
8.2、流提取
流提取分析：
- 在获取字符串前，不知道用户输入的字符串长度，无法提前开辟空间
- ==如果采用默认2倍扩容的方式，势必会造成严重的空间浪费==
- 读取数据后，若字符串中已存在数据，需要覆盖原数据
解决方案：
- 借助一个
char buff[128]数组存储数据，当数组装满时，将buff拼接至字符串尾部，buff重新开始存储数据，这样无论输入多长的字符串，都可以很好的读取，而且避免了空间的浪费 - 调用
clear()函数先清理字符串，再进行输入
//流提取
istream& Yohifo::operator>>(istream& _cin, string& s)
{
s.clear(); //流插入前先清理
//此时输入字符串大小未知，需要通过 buff 数组不断装载的方式实现流插入
char buff[128] = { 0 }; //大小为128
int pos = 0;
char ch = _cin.get(); //获取字符
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
buff[pos++] = ch;
if (pos == 127)
{
//拼接至 s
s += buff;
pos = 0; //重新装载
}
ch = _cin.get();
}
if (pos < 127)
{
//此时需要手动置 '\0'
buff[pos] = '\0';
s += buff; //链接
}
return _cin;
}
==注意：==
- 逐字符读取，可以使用
cin.get()函数，类似于getc()函数 - 流提取的结束条件是遇到
空白字符就结束 - 当
while循环结束后，如果pos < 127，需要置入'\0'，避免插入两个半(或更多)buff数据的情况
buff 数组是一个 局部变量，不会造成空间浪费
8.3、获取整行串
getline 函数可以读取到空格，实现逻辑95%都和流提取一致，不过在循环结束条件中，getline 只取决于是否读取到 '\n'
//获取一行字符串
istream& Yohifo::getline(istream& _cin, string& s)
{
//大体逻辑与流提取一致，不过判断条件减少
s.clear(); //先清理
char buff[128] = { 0 }; //大小为128
int pos = 0;
char ch = _cin.get(); //获取字符
while (ch != '\n')
{
buff[pos++] = ch;
if (pos == 127)
{
//链接至 s
s += buff;
pos = 0; //重新装载
}
ch = _cin.get();
}
if (pos < 127)
{
//此时需要手动置 '\0'
buff[pos] = '\0';
s += buff; //链接
}
return _cin;
}
9、整体代码
文中所有代码都存储 Gitee 仓库，可以通过下面的链接直接跳转查看
🎯总结
以上就是本次关于 string 类模拟实现的全部内容了，string 比较适合尝试自己实现，相信在实现之后，对 string 类的理解和使用能更上一层楼
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