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【C++初階學習】string類

零、前言
一、什么是string類
- 1、引入
- 2、概念
二、string類常用介面說明
- 1、string類物件常見構造
- 2、string類物件容量操作
- 3、string類物件訪問及遍歷操作
- 4、string類物件修改操作
- 5、string類非成員函式
三、模擬實作string類
- 1、實作string類介面展示
- 2、深淺拷貝問題
- 3、string類深拷貝寫法
- 4、string類其他常用介面模擬

零、前言

本章主要講解C++string類的相關知識以及使用，還會模擬實作一下string類

一、什么是string類

1、引入

C語言中，字串是以’\0’結尾的一些字符的集合，為了操作方便，C標準庫中提供了一些str系列的庫函式，但是這些庫函式與字串是分離開的，不太符合OOP的思想，而且底層空間需要用戶自己管理，稍不留神可能還會越界訪問，由此C++做出改進引入了string類

2、概念

string是表示字串的字串類

該類的介面與常規容器的介面基本相同，再添加了一些專門用來操作string的常規操作

string在底層實際是：basic_string模板類的別名

typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;

不能操作多位元組或者變長字符的序列

注：在使用string類時，必須包含

#include<string>
using namespace std;

二、string類常用介面說明

注：下面講解最常用的介面

1、string類物件常見構造

函式名稱	功能說明
string() （重點）	構造空的string類物件，即空字串
string(const char* s) （重點）	用C-string來構造string類物件
string(size_t n, char c)	string類物件中包含n個字符c
string(const string&s) （重點）	拷貝建構式
string (const string& str, size_t pos, size_t len = npos)	從str物件中由pos位置開始截取len個長度的字符，len > str長度就結束
string (const char* s, size_t n)	從s指向的字符陣列中復制前n個字符

使用示例：

void Teststring1()
{
	// 構造空的string類物件,等同于string s1("");
	string s1; 
	// 用C格式字串構造string類物件s2
	string s2("hello cole"); 
	// 拷貝構造s3
	string s3(s2);
	// 截取string類部分拷貝
	string s4(s3, 6);//從第6個開始拷取到最后
	// 截取字符陣列部分拷貝
	char str[] = "hello cole";
	string s5(str, 5);//拷取前5個字符
	cout << s1 << endl;
	cout << s2 << endl;
	cout << s3 << endl;
	cout << s4 << endl;
	cout << s5 << endl;
}
// 注意：string類物件支持直接用cin和cout進行輸入和輸出

結果：

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2、string類物件容量操作

函式名稱	功能說明
size（重點）	回傳字串有效字符長度
length	回傳字串有效字符長度
capacity	回傳空間總大小
empty （重點）	檢測字串釋放為空串，是回傳true，否則回傳false
clear （重點）	清空有效字符
reserve （重點）	為字串預留空間**
resize （重點）	將有效字符的個數該成n個，多出的空間用字符c填充

使用示例1：

// size/clear/resize
void Teststring2()
{
	string s("hello cole!");
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.length() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
	// 將s中的字串清空，注意清空時只是將size清0，不改變底層空間的大小
	s.clear();
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	// 將s中有效字符個數增加到10個，多出位置用'a'進行填充
	// “aaaaaaaaaa”
	s.resize(10, 'a');
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	// 將s中有效字符個數增加到15個，多出位置用預設值'\0'進行填充
	// "aaaaaaaaaa\0\0\0\0\0"
	// 注意此時s中有效字符個數已經增加到15個
	s.resize(15);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
	// 將s中有效字符個數縮小到5個
	s.resize(5);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

結果1：
使用示例2：

//reserve
void Teststring4()
{
	string s;
	// 測驗reserve是否會改變string中有效元素個數
	s.reserve(100);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	// 測驗reserve引數小于string的底層空間大小時，是否會將空間縮小
	s.reserve(50);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
}

結果2：

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使用示例3：

// 利用reserve提高插入資料的效率，避免增容帶來的開銷
void TestPushBack()
{
	string s;
	size_t sz = s.capacity();
	cout << "making s grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}
void TestPushBackReserve()
{
	string s;
	s.reserve(100);
	size_t sz = s.capacity();
	cout << "capacity: " << sz << '\n';
	cout << "making s grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

結果3：

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注意：

size()與length()方法底層實作原理完全相同，引入size()的原因是為了與其他容器的介面保持一致，一般情況下基本都是用size()

clear()只是將string中有效字符清空，不改變底層空間大小

resize(size_t n) 與 resize(size_t n, char c)都是將字串中有效字符個數改變到n個，不同的是當字符個數增多時：resize(n)用0來填充多出的元素空間，resize(size_t n, char c)用字符c來填充多出的元素空間

注意：resize在改變元素個數時，如果是將元素個數增多，可能會改變底層容量的大小，如果是將元素個數減少，底層空間總大小不變

reserve(size_t res_arg=0)：為string預留空間，不改變有效元素個數，當reserve的引數小于string的底層空間總大小時，reserve不會改變容量大小

3、string類物件訪問及遍歷操作

函式名稱	功能說明
operator[] （重點）	回傳pos位置的字符，普通物件和const物件有相應的版本
begin+ end	egin獲取第一個字符的迭代器 + end獲取最后一個字符下一個位置的迭代器
rbegin + rend	begin獲取第一個字符的迭代器 + end獲取最后一個字符下一個位置的迭代器
范圍for	C++11支持，最終替換成迭代器

使用示例：

void Teststring5()
{
	string s1("hello cole");
	//使用operator[]+size()遍歷字串
	for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
	{
		//等同與s1.operator[](i)
		cout << s1[i] << " ";
	}
	cout << endl;
	//使用正向迭代器遍歷字串
	string::iterator it1 = s1.begin();
	while (it1 != s1.end())
	{
		cout << *it1 << " ";
		it1++;
	}
	cout << endl;
	//注意：iterator為普通迭代器，可讀可寫，const_iterator為const迭代器，只能讀取字
	string::const_iterator it3 = s1.begin();
	while (it3 != s1.end())
	{
		//*it3+=1; 會報錯
		cout << *it3 << " ";
		it3++;
	}
	cout << endl;
	//使用反向迭代器遍歷字串
	string::reverse_iterator it2 = s1.rbegin();
	while (it2 != s1.rend())
	{
		cout << *it2 << " ";
		it2++;
	}
	cout << endl;
	//同樣的反向迭代器的const迭代器為const_reverse_iterator
	//范圍for遍歷字串
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
}

結果：

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4、string類物件修改操作

函式名稱	功能說明
push_back	在字串后尾插字符c
append	在字串后追加一個字串
operator+= (重點)	在字串后追加字串str
c_str(重點)	回傳C格式字串
find + npos(重點)	從字串pos位置開始往后找字符c，回傳該字符在字串中的位置
rfind	從字串pos位置開始往前找字符c，回傳該字符在字串中的位置
substr	在str中從pos位置開始，截取n個字符，然后將其回傳

使用示例1：

void Teststring6()
{
	string str;
	cout << str << endl;
	str.push_back('c'); // 在str后插入字符
	cout << str << endl;
	str.append("hello"); // 在str后追加一個字符"hello"
	cout << str << endl;
	str += '\0'; // 在str后追加結束符
	str += "cole"; // 在str后追加一個字串"cole"
	cout << str << endl;//即使遇到‘\0’也不會停止，只有把字串給完全遍歷完了才會停止遍歷
	cout << str.c_str() << endl; // 以C語言的方式列印字串(遇到\0就停止)
}

結果1：
使用示例2：

void Teststring7()
{
	// 獲取file的后綴
	string file("string.cpp");
	size_t pos = file.rfind('.');//從后往前找字符. 
	string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));//拷貝pos位置之后的字串
	cout << suffix << endl;
    
	// 取出url中的域名
	string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");
	cout << url << endl;
	size_t start = url.find("://");//從前往后找字串 
	if (start == string::npos)//沒找到回傳npos
	{
		cout << "invalid url" << endl;
		return;
	}
	start += 3;
	size_t finish = url.find('/', start);//再往后找結束位置
	string address = url.substr(start, finish - start);//拷貝子串
	cout << address << endl;
    
	// 洗掉url的協議前綴
	pos = url.find("://");
	url.erase(0, pos + 3);
	cout << url << endl;
}

結果2：

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注：npos是string里面的一個靜態成員變數

static const size_t npos = -1;

注意：

在string尾部追加字符時，s.push_back? / s.append(1, c) / s += ‘c’ 三種的實作方式差不多，一般情況下string類的+=操作用的比較多，+=操作不僅可以連接單個字符，還可以連接字串

對string操作時，如果能夠大概預估到放多少字符，可以先通過reserve把空間預留好（提高效率）

5、string類非成員函式

函式	功能說明
operator+	盡量少用，因為傳值回傳，導致深拷貝效率低
operator>> （重點）	輸入運算子多載
operator<< （重點）	輸出運算子多載
getline （重點）	獲取一行字串
relational operators （重點）	大小比較

注：對上述函式只是了解一下，對于其他的操作函式可以查閱檔案了解

三、模擬實作string類

注：這里我們只是模擬實作string的一些常用介面，并非要完全復刻，學習下string類的底層，讓對string類的理解更深一點就行了

1、實作string類介面展示

注：模擬時為了避免與C++本身提供的string類造成命名沖突，我們選擇在命名空間里進行實作

namespace cole
{
    class string
    {
        friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const cole::string& s);
        friend istream& operator>>(istream& _cin, cole::string& s);
        friend istream& getline(istream& _cin, string& s);

    public:
        typedef char* iterator;
        typedef const char* const_iterator;

        string(const char* str = "");
        string(const string& s);
        string& operator=(const string& s);
        ~string();
        void swap(string& s);
        // iterator
        iterator begin();
        iterator end();
        const_iterator begin()const;
        const_iterator end()const;

        // modify
        void push_back(char c);
        string& operator+=(char c);
        void append(const char* str);
        string& operator+=(const char* str);
        void clear();
        const char* c_str()const;

        // capacity
        size_t size()const;
        size_t capacity()const;
        bool empty()const;
        void resize(size_t n, char c = '\0');
        void reserve(size_t n);

        // access
        char& operator[](size_t index);
        const char& operator[](size_t index)const;

        //relational operator
        bool operator<(const string& s);
        bool operator<=(const string& s);
        bool operator>(const string& s);
        bool operator>=(const string& s);
        bool operator==(const string& s);
        bool operator!=(const string& s);

        // 回傳c在string中第一次出現的位置
        size_t find(char c, size_t pos = 0) const;
        // 回傳子串s在string中第一次出現的位置
        size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;
        // 在pos位置上插入字符c/字串str，并回傳該字符
        string& insert(size_t pos, char c);
        string& insert(size_t pos, const char* str);
        // 洗掉pos位置上的長度個字符
        string& erase(size_t pos, size_t len=npos);

    private:
        char* _str;
        size_t _capacity;
        size_t _size;
        static const size_t npos;
    };
    //初始化靜態私有成員變數
    const size_t string::npos = -1;
}

2、深淺拷貝問題

一般來說對于只有內置型別的成員變數，我們可以選擇編譯器提供的拷貝建構式和賦值多載函式(自己不寫)，編譯器提供的這兩個函式能夠完成淺拷貝（拷貝值），但是對于存在指標成員變數的類，淺拷貝是不行的

示例：

namespace cole
{

	class string
	{
	public:
		string(const char* str = "")
		{
			// 斷言不為空指標
			assert(str);
			_str = new char[strlen(str) + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		~string()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}
	private:
		char* _str;
	};
	// 測驗
	void Teststring()
	{
		string s1("hello cole");
		string s2(s1);
	}
}
int main()
{
	cole::Teststring();
	return 0;
}

結果：

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解釋：

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即值拷貝（淺拷貝）讓s1、s2共用同一塊記憶體空間，在釋放時同一塊空間被釋放多次而引起程式崩潰，由此對于涉及資源的管理，我們需要自己以深拷貝的方式寫拷貝建構式和賦值多載函式

3、string類深拷貝寫法

深拷貝概念：

給每個物件獨立分配資源，保證多個物件之間不會因為共享資源而造成多種錯誤以及程式釋放崩潰的問題

傳統式：比較常規，易于理解

class string
{
public:
    //建構式
    string(const char* str = "")
    {
        // 構造string類物件時，如果傳遞nullptr指標，認為程式非法，此處斷言下
        assert(str);
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    //拷貝建構式
    string(const string& s)
        : _str(new char[strlen(s._str) + 1])
    {
        strcpy(_str, s._str);
    }
    //賦值
    string& operator=(const string& s)
    {
        if (this != &s)//避免自己賦值自己（沒有意義）
        {
            delete[]_str;
            _str = new char[strlen(s._str) + 1];
            strcpy(_str, s._str);
        }
        return *this;
    }
    //解構式
    ~string()
    {
        delete[]_str;
        _str = nullptr;
    }
private:
    char* _str;
};

現代式：簡潔，效果一致

class string
{
public:
	//建構式
	string(const char* str = "")
	{
		if (nullptr == str)//處理空指標
			str = "";
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	//拷貝構造
	string(const string& s)
		: _str(nullptr)//將自己賦值為空
	{
		string strTmp(s._str);//呼叫建構式，生成一個具有相同內容的string
		swap(_str, strTmp._str);//將string物件的各成員變數相互交換
	}//拷貝構造結束strTmp會先析構再銷毀

	//賦值多載
	string& operator=(string s)//傳值引數，會呼叫拷貝構造，生成一個具有相同內容的string
	{
		swap(_str, s._str);//將string物件的各成員變數相互交換
		return *this;
	}//賦值多載結束束s會先析構再銷毀

	//解構式
	~string()
	{
		delete[] _str;
		_str = nullptr;
	}
private:
	char* _str;
};

4、string類其他常用介面模擬

實作代碼：

ostream& operator<<(ostream& _cout, const string& s)
{
    for (auto ch : s)//會替換成string的迭代器
    {
        _cout << ch;
    }
    return _cout;
}
istream& operator>>(istream& _cin, string& s)
{
    s.clear();//清理
    char ch;
    ch = _cin.get();//能夠接收空格和結束符
    while (ch != ' ' && ch != '\n')
    {
        s += ch;
        ch = _cin.get();
    }
    return _cin;
}

istream& getline(istream& _cin, string& s)
{
    s.clear();
    char ch;
    ch = _cin.get();
    while (ch != '\n')
    {
        s += ch;
        ch = _cin.get();
    }
    return _cin;
}
//建構式
string::string(const char* str="")
{
    if(str==nullptr)
        str="";
    _str = new char[strlen(str) + 1];
    _size = strlen(str);
    _capacity = _size;
    strcpy(_str, str);
}
//交換string
void string::swap(string& s)
{
    ::swap(_str, s._str);
    ::swap(_size, s._size);
    ::swap(_capacity, s._capacity);
}
//拷貝構造
string::string(const string& s)
    :_str(nullptr)
    , _size(0)
    , _capacity(0)
{
    string tmp(s._str);
    swap(tmp);
}
//賦值多載
string& string::operator=(const string& s)//傳參考
{
    //避免自己給自己賦值
    if (this != &s)
    {
        string tmp(s._str);
        swap(tmp);
    }
    return *this;
}
//解構式
string::~string()
{
    delete[] _str;
    _str = nullptr;
    _size = 0;
    _capacity = 0;
}

// iterator（普通物件）
string::iterator string::begin()
{
    return _str;
}
string::iterator string::end()
{
    return _str + _size;
}
// iterator（const物件）
string::const_iterator string::begin()const
{
    return _str;
}
string::const_iterator string::end()const
{
    return _str + _size;
}

// modify
//尾插字符
void string::push_back(char c)
{
    滿空間就擴容
    //if (_size == _capacity)
    //{
    //    reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    //}
    //_str[_size] = c;
    //_size++;

    insert(_size, c);
}
string& string::operator+=(char c)
{
    push_back(c);
    return *this;
}
//追加字串
void string::append(const char* str)
{
    /*size_t len = _size + strlen(str);
    if (len > _capacity)
    {
        reserve(len);
    }
    strcpy(_str + _size, str);
    _size = len;*/

    insert(_size, str);
}
string& string::operator+=(const char* str)
{
    append(str);
    return *this;
}

void string::clear()
{
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}

const char* string::c_str()const
{
    return _str;
}
size_t string::size()const
{
    return _size;
}
size_t string::capacity()const
{
    return _capacity;
}
bool string::empty()const
{
    return _size == 0;
}
//開空間+初始
void string::resize(size_t n, char c)
{
    if (n < _size)
    {
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
    }
    else
    {
        if (n > _capacity)
        {
            reserve(n);
        }
        int pos = _size;
        while (pos < n)
            _str[pos++] = c;
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
    }
}
//開空間
void string::reserve(size_t n)
{
    //需要的空間大于容量就開空間
    if (n > _capacity)
    { 
        char* tmp = new char[n + 1];
        strncpy(tmp, _str, _size + 1);//strcpy不能將\0后的內容也拷貝
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}

// access
char& string::operator[](size_t index)
{
    assert(index < _size);
    return _str[index];
}
const char& string::operator[](size_t index)const
{
    assert(index < _size);
    return _str[index];
}

//relational operator
bool string::operator<(const string& s)
{
    return strcmp(_str, s._str) < 0;
}
bool string::operator<=(const string& s)
{
    return *this < s || *this == s;
}
bool string::operator>(const string& s)
{
    return !(*this <= s);
}
bool string::operator>=(const string& s)
{
    return !(*this < s);
}
bool string::operator==(const string& s)
{
    return strcmp(_str, s._str);
}
bool string::operator!=(const string& s)
{
    return !(*this == s);
}

// 回傳c在string中第一次出現的位置
size_t string::find(char c, size_t pos) const
{
    //pos的合理性
    assert(pos < _size);
    for (size_t i = pos; i < _size; i++)
    {
        if (_str[i] == c)
            return i;
    }
    //沒找到
    return npos;
}
// 回傳子串s在string中第一次出現的位置
size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{
    //pos的合理性
    assert(pos < _size);
    const char* ret = strstr(_str + pos, s);
    if (ret)
        return ret - _str;
    //沒找到
    return npos;
}
// 在pos位置上插入字符c/字串str
string& string::insert(size_t pos, char c)
{
    assert(pos <= _size);
    if (_size == _capacity)
    {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    char* end = _str + _size;
    while (end >= _str + pos)
    {
        *(end + 1) = *end;
        end--;
    }
    _str[pos] = c;
    _size++;
    return *this;
}
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
    assert(pos <= _size);
    size_t len1 = strlen(str);
    size_t len2 = len1 + _size;
    if (len2 > _capacity)
    {
        reserve(len2);
    }
    char* end = _str + _size;
    while (end >= _str + pos)
    {
        *(end + len1) = *end;
        end--;
    }
    strncpy(_str + pos, str, len1);
    _size += len1;

    return *this;
}
// 洗掉pos位置上的長度個字符
string& string::erase(size_t pos, size_t len)
{
    assert(pos < _size);
    size_t leftlen = _size - pos - 1;
    if (len >= leftlen)
    {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    }
    else
    {
        strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
        _size -= len;
    }
    return *this;
}

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【C++初階學習】C++string類的使用及模擬

【C++初階學習】string類

零、前言

一、什么是string類

1、引入

2、概念

二、string類常用介面說明

1、string類物件常見構造

2、string類物件容量操作

3、string類物件訪問及遍歷操作

4、string類物件修改操作

5、string類非成員函式

三、模擬實作string類

1、實作string類介面展示

2、深淺拷貝問題

3、string類深拷貝寫法

4、string類其他常用介面模擬