C++ STL之string的使用及模拟实现

文章目录

  • 1. 前言
  • 2. 介绍
  • 3. string类的使用
    • 3.1 string类的构造函数
    • 3.2 string类对象的容量操作
    • 3.3 string类对象的访问及遍历操作
    • 3.4 string类对象的修改操作
    • 3.5 string类对象的字符串操作
    • 3.6 string类的非成员函数
  • 4. string类的模拟实现

1. 前言

C语言中，字符串是以''结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合面向对象编程的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。所以C++引入了string类作为标准库中用于处理字符串的数据类型。string类封装了字符串的操作，提供了更方便、安全和高级的字符串处理功能，更符合面向对象编程的思想。

2. 介绍

英文解释：

在这里插入图片描述

简单来说：

  1. string是表示字符串的字符串类
  2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
  3. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
  4. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

3. string类的使用

3.1 string类的构造函数

(constructor)函数代码 功能说明
string(); （默认构造函数）构造一个空字符串，长度为零个字符。
string(const string& str); （拷贝构造函数）构造一个 str 的副本。
string (const string& str, size_t pos, size_t len = npos); （子串构造函数）拷贝 str 从字符位置 pos 开始，跨越 len 个字符（如果 str 太短或者 len 为string::npos，则复制直到 str 的末尾）。
string(const char* s); 拷贝由 s 指向的以空字符结尾的字符序列（C 字符串）。
string (const char* s, size_t n); 从由 s 指向的字符数组中拷贝前 n 个字符。
string(size_t n, char c); 使用字符 c 连续填充字符串 n 次。
template <class InputIterator> string (InputIterator first, InputIterator last); 拷贝迭代器区间[first, last)范围内的字符序列。

实例：

// string constructor
#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
	std::string s0("Initial string");

	// 按照上述描述的顺序使用的构造函数
	std::string s1;
	std::string s2(s0);
	std::string s3(s0, 8, 3);
	std::string s4("A character sequence");
	std::string s5("Another character sequence", 12);
	std::string s6a(10, 'x');
	std::string s6b(10, 42);      // 42 is the ASCII code for '*'
	std::string s7(s0.begin(), s0.begin() + 7);

	std::cout << "s1: " << s1 << "
s2: " << s2 << "
s3: " << s3;
	std::cout << "
s4: " << s4 << "
s5: " << s5 << "
s6a: " << s6a;
	std::cout << "
s6b: " << s6b << "
s7: " << s7 << '
';
	return 0;
}

输出结果：

在这里插入图片描述

3.2 string类对象的容量操作

函数名称 代码 功能说明
size size_t size() const; 返回字符串有效字符长度。
length size_t length() const; 返回字符串有效字符长度。
max_size size_t max_size() const; 返回字符串可以达到的最大长度。
resize void resize (size_t n);
void resize (size_t n, char c);		 将字符串调整为长度为 n 的字符。如果 n 小于当前字符串的长度，当前值将缩短为其前 n 个字符，删除第 n 个字符之后的字符。如果 n 大于当前字符串的长度，当前内容将被扩展，插入足够数量的字符以达到大小为 n。如果指定了字符 c，则新元素将被初始化为 c 的副本，否则它们将是值初始化的字符（空字符）。
capacity size_t capacity() const; 以字节为单位，返回当前为字符串分配的存储空间的大小。
reserve void reserve (size_t n = 0); 请求将字符串的容量调整为计划更改的大小，最多达到长度为 n 的字符。如果 n 大于当前字符串的容量，该函数将导致容器增加其容量以容纳 n 个字符（或更多）。在所有其他情况下，它被视为非强制性请求来缩小字符串的容量：容器的实现可以自由优化，并保留容量大于 n 的字符串。该函数不会对字符串长度产生影响，也不能修改其内容。
clear void clear(); 清空有效字符。
empty bool empty() const; 返回字符串是否为空（即长度是否为 0）。

3.3 string类对象的访问及遍历操作

函数名称 代码 功能说明
operator[] char& operator[] (size_t pos);
const char& operator[] (size_t pos) const;		 返回字符串中位置 pos 处字符的引用。
at char& at (size_t pos);
const char& at (size_t pos) const;		 返回字符串中位置 pos 处字符的引用。该函数会自动检查 pos 是否是字符串中一个有效的字符位置（即，pos 是否小于字符串的长度），如果不是，则抛出 out_of_range 异常。
back char& back();
const char& back() const;		 返回字符串的最后一个字符的引用。该函数不应在空字符串上调用。
front char& front();
const char& front() const;		 返回字符串的第一个字符的引用。

遍历操作

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
	std::string str("Test string");
	// 1.普通下标遍历
	for (size_t i = 0; i < str.size(); ++i)
		std::cout << str[i];
	std::cout << '
';

	// 2.迭代器遍历
	for (std::string::iterator it = str.begin(); it != str.end(); ++it)
		std::cout << *it;
	std::cout << '
';

	// 3.范围for遍历
	for (auto e : str)
		std::cout << e;
	std::cout << '
';

	return 0;
}

解释

  1. 普通下标遍历：
    在这个部分的代码中，使用了一个普通的for循环和下标操作符[]来遍历字符串中的字符。循环变量i从0开始递增，直到达到字符串的长度（通过str.size()获取）。在每次迭代中，使用str[i]来获取对应位置的字符，并使用std::cout打印出来。
  2. 迭代器遍历：
    这部分代码使用了迭代器来遍历字符串中的字符。通过调用str.begin()获取字符串的起始位置迭代器，并使用str.end()获取字符串的结束位置迭代器。然后，使用一个for循环和迭代器操作来遍历字符串中的每个字符。在每次迭代中，使用解引用操作符*来获取当前迭代器指向的字符，并使用std::cout打印出来。
  3. 范围for遍历：
    在这部分代码中，使用了范围for循环来遍历字符串中的字符。通过for (auto e : str)的语法，将字符串中的每个字符依次赋值给变量e。在每次迭代中，直接使用变量e来表示当前字符，并使用std::cout打印出来。

3.4 string类对象的修改操作

函数名称 代码 功能说明
operator+= string& operator+= (const string& str);
string& operator+= (const char* s);
string& operator+= (char c);		 在字符串末尾追加字符串 str、C字符串 s 或字符 c。
append string& append (const string& str); 在字符串后追加一个字符串 str。
push_back void push_back (char c); 在字符串后尾插字符 c。
insert string& insert (size_t pos, const string& str); 在指定位置 pos 插入另一个字符串 str。
erase string& erase (size_t pos = 0, size_t len = npos); 从字符串的位置 pos 开始删除长度为 len 的字符（如果内容太短或者 len 为 string::npos，则直到字符串的末尾）。如果未提供 len 参数，则默认删除从位置 pos 开始到字符串末尾的所有字符（类似于成员函数 clear）。返回一个引用，指向当前字符串的修改后的对象。

3.5 string类对象的字符串操作

函数名称 代码 功能说明
c_str const char* c_str() const; 回一个指向以空字符结尾的字符序列（即 C 字符串）的指针，该字符序列表示当前字符串对象的值。
substr string substr (size_t pos = 0, size_t len = npos) const; 返回一个新构造的字符串对象，其值为当前对象的子串副本。子串是从字符位置 pos 开始的、长度为 len 的字符序列（或者直到字符串的末尾）。
find size_t find (const string& str, size_t pos = 0) const;
size_t find (const char* s, size_t pos = 0) const;		 在当前字符串的 pos 索引位置（默认为0）开始，查找子串 str（或C 字符串 s），返回找到的位置索引，-1表示查找不到子串。
rfind size_t rfind (const string& str, size_t pos = npos) const;
size_t rfind (const char* s, size_t pos = npos) const;		 在当前字符串的 pos 索引位置开始，反向查找子串 str（或C 字符串 s），返回找到的位置索引，-1表示查找不到子串。
find_first_of size_t find_first_of (const char* s, size_t pos = 0) const; 在当前字符串的 pos 索引位置（默认为0）开始，在字符串中搜索与其参数中指定的任意字符匹配的第一个字符。
find_last_of size_t find_last_of (const char* s, size_t pos = npos) const; 在当前字符串的 pos 索引位置（默认为0）开始，在字符串中搜索与其参数中指定的任意字符匹配的最后一个字符。
find_first_not_of size_t find_first_not_of (const char* s, size_t pos = 0) const; 在当前字符串的 pos 索引位置开始，在字符串中搜索与其参数中指定的任意字符不匹配的第一个字符。
find_last_not_of size_t find_last_not_of (const char* s, size_t pos = npos) const; 在当前字符串的 pos 索引位置开始，在字符串中搜索与其参数中指定的任意字符不匹配的最后一个字符。

3.6 string类的非成员函数

函数名称 代码 功能说明
operator+ string operator+ (const string& lhs, const string& rhs); 返回一个新构造的字符串对象，其值是将 lhs 的字符后跟 rhs 的字符连接而成。
operator>> istream& operator>> (istream& is, string& str); 支持 cin 读入 string 类对象，遇到空格回车结束。
operator<< ostream& operator<< (ostream& os, const string& str); 支持 cout 输出 string 类对象。
getline istream& getline (istream& is, string& str); 从输入流 is 中提取字符，并将它们存储到字符串 str 中，直到找到换行字符 ‘
’。
relational operators operator==
operator!=
operator<
operator<=
operator>
operator>=		 支持比较操作符（==，!=，<，<=，>，>=）

说明

  • getline(cin, s)会获取前一个输入的换行符，需要在前面添加读取换行符的语句。如：getchar() 或 cin.get()。

    例如：

    int n;
string s;
cin >> n;
getchar(); //cin.get()
getline(cin, s); // 可正确读入下一行的输入

  • operator+尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低。

4. string类的模拟实现

// string.h 文件
#pragma once
#include <iostream>
#include <string.h>
#include <assert.h>
using namespace std;

namespace my_string
{
	class string
	{
		friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const my_string::string& s);
		friend istream& operator>>(istream& _cin, my_string::string& s);
        
	public:
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;
        
	public:
		string(const char* str = "")
			:_size(strlen(str))
			, _capacity(_size)
		{
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
        
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
        
		string(const string& s)
			:_size(0)
			, _capacity(0)
			, _str(nullptr)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}
        
		string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				string tmp(s);
				swap(tmp);
			}
			return *this;
		}
        
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
        
		iterator begin()
		{
			return _str;
		}
        
		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
        
		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}
        
		const_iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}
        
		size_t size()const
		{
			return _size;
		}
        
		size_t capacity()const
		{
			return _capacity;
		}
        
		bool empty()const
		{
			return _size;
		}
        
		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 c)
		{
			if (n <= _size)
			{
				_str[n] = '';
				_size = n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				while (_size < n)
				{
					_str[_size] = c;
					++_size;
				}
				_str[_size] = '';
			}
		}
        
		void push_back(char c)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			_str[_size++] = c;
			_str[_size] = '';
		}
        
		string& operator+=(char c)
		{
			push_back(c);
			return *this;
		}
        
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
            
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}
        
		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}
        
		string substr(size_t pos, size_t len)
		{
			string s;
			size_t end = pos + len - 1;
			if (len == npos || pos + len >= _size)
			{
				len = _size - pos;
				end = _size;
			}
            
			s.reserve(len);
			for (size_t i = pos; i <= end; i++)
			{
				s += _str[i];
			}
            
			return s;
		}
        
		void clear()
		{
			_str[0] = '';
			_size = 0;
		}
        
		const char* c_str()const
		{
			return _str;
		}
        
		char& operator[](size_t index)
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}
        
		const char& operator[](size_t index)const
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}
        
		bool operator<(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str) < 0;
		}
        
		bool operator==(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str) == 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);
		}
        
		size_t find(char c, size_t pos) const
		{
			while (pos < _size)
			{
				if (_str[pos] == c)
				{
					return pos;
				}
				pos++;
			}
			return npos;
		}
        
		size_t find(const char* s, size_t pos) const
		{
			const char* p = strstr(_str + pos, s);
			if (p)
				return p - _str;
			else
				return npos;
		}
        
		string& insert(size_t pos, char c)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			size_t end = _size + 1;
			while (end >= pos + 1)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				--end;
			}
			_str[pos] = c;
			_size++;
			return *this;
		}
        
		string& insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (len == 0)
				return *this;
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			size_t end = _size + len;
			while (end >= pos + len)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				--end;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
			return *this;
		}
        
		string& erase(size_t pos, size_t len)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || pos + len >= _size)
			{
				_str[pos] = '';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				size_t begin = pos + len;
				while (begin <= _size)
				{
					_str[begin - len] = _str[begin];
					++begin;
				}
				_size -= len;
			}
			return *this;
		}
		
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
        
	public:
		const static size_t npos;
	};
	ostream& operator<<(ostream& _cout, const my_string::string& s)
	{
		for (auto e : s)
			_cout << e;
		return _cout;
	}
    
	istream& operator>>(istream& _cin, my_string::string& s)
	{
		s.clear();
		char buff[129];
		size_t i = 0;
		char ch;
		ch = _cin.get();
        
		while (ch != ' ' && ch != '
')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 128)
			{
				buff[i] = '';
				s += buff;
				i = 0;
			}
            
			ch = _cin.get();
		}
        
		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '';
			s += buff;
		}
        
		return _cin;
	}
};

const size_t my_string::string::npos = -1;