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【C++/STL】：string类底层的模拟实现

2024-06-24 9
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简介： 【C++/STL】：string类底层的模拟实现

引言

点击跳转到文章：【string类的基本使用】

上一篇文章已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。

这篇文章主要是对string类的一些重点接口函数进行模拟实现。本文依然采用多文件的方式，string.h放类的声明，string.cpp放成员函数的定义。

string.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <stdbool.h>
using namespace std;
//定义一个叫做bit的命名空间，隔离C++库里的string类
 namespace bit
{
   class string
   {
   public:
     //typedef实现二次封装
     //由于string类是连续的空间，所以可以定义为原生指针
     typedef char* iterator;
     //const迭代器，指针指向的内容不能修改
     typedef const char* const_iterator;
     //实现迭代器,一定要实现为begin 和end
     //迭代器屏蔽了底层细节，提供了一种简单通用的访问容器的方式
     iterator begin();
     iterator end();
     const_iterator begin()const;
     const_iterator end()const;
    // string();//无参构造
    
      //有参与无参构造用全缺省进行合并,在声明处给缺省值
     string(const char* str = "");//传参构造
     //析构函数
     ~string();
     //拷贝构造
     string(const string& s);
     //赋值运算重载(传统)
     //string& operator=(const string& s);
     //赋值运算重载(现代)
     string& operator=(string tmp);
     const char* c_str() const;
     //用下标的方式遍历字符串
     size_t size()const;
     char& operator[](size_t pos);
     const char& operator[](size_t pos)const;
     //用于扩容，一般不缩容
     void reserve(size_t n);
     void push_back(char ch);//尾插一个字符
     void append(const char* str);//尾插字符串
     //用运算符重载实现尾插
     string& operator+=(char ch);
     string& operator+=(const char* str);
     //在指定位置插入 字符或是字符串
     void insert(size_t pos, char ch);
     void insert(size_t pos, const char* str);
     //在指定位置删除长度为len
     void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos);
     //从pos位置开始找字符或是字符串
     size_t find(char ch, size_t pos =0);
     size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
     //交换函数
     void swap(string& s);
     //从pos位置找一个子串
     string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);
     //字符串的比较
     bool operator<(const string& s)const;
     bool operator>(const string& s)const;
     bool operator<=(const string& s)const;
     bool operator>=(const string& s)const;
     bool operator==(const string& s)const;
     bool operator!=(const string& s)const;
     //把当前数据清除，但是不清空间
     void clear();
   private:
     //这里的缺省值时给现代写法的构造函数的
     char* _str = nullptr;
     size_t _size = 0;//有效数据个数,指向最后一个有效数据的下一个位置\0
     size_t _capacity = 0;//容量
     //特例：静态成员变量只有无符号整形才可以在声明时给缺省值
     //const static size_t npos = -1;//ok
     //const static double d = 2.2;//err
     const static size_t npos;
   };
   //流插入，流提取 
   //不适合写成成员函数，涉及第一个参数的位置问题
   istream& operator>> (istream& is, string& str);
   ostream& operator<< (ostream& os, const string& str);
}

1，构造函数

为了避免多次strlen的计算，并且符合声明的顺序，只把_size放在初始化列表，其余放在函数体中。

string::string(const char* str)
  :_size(strlen(str))
{
    //_str = nullptr;//err 防止对空指针的解引用
    
  _str = new char[_size + 1];//多开一个是给\0的
  _capacity = _size;
  strcpy(_str, str);//把初始化内容拷贝进空间
}

2，析构函数

string::~string()
{
  delete[] _str;//析构销毁资源
  _str = nullptr;//置空
  _size = _capacity = 0;//置0
}

3，取出字符串的地址

const char* string::c_str()const
{
  return _str;//返回字符串的首地址，用于打印数据
}

4，计算有效数据个数

size_t string::size()const
{
  return _size;
}

5，[ ]运算符重载

4.1 [ ]运算符重载有两种类型，可读可写的和可读的(const修饰)。

4.2 模拟[ ]运算符重载的几个问题：

(1) 引用返回的作用：一是减少拷贝，二是修改返回对象。

(2) 为什么可以用引用返回：_str[i]出了作用域还在，因为_str开辟在堆上，它返回的是堆上的一个字符的引用别名。

(3) 重载的底层也是用assert断言的，只要下标越界直接终止报错。

//_str是new出来的，出了这个函数不会销毁，可以用引用返回
char& string::operator[](size_t pos)
{
  assert(pos < _size);//防止越界
  return _str[pos];
}
const char& string::operator[](size_t pos)const
{
  assert(pos < _size);//防止越界
  return _str[pos];
}

6，简单迭代器

6.1 迭代器也有有两种类型，可读可写的和可读的(const修饰)。根据声明可知，这里的迭代器可以暂时简单的理解为类似指针的东西。

6.2 这里直接利用用原生指针进行实现的原因是：string类底层的物理结构的连续的。

6.3 为什么要用typedef，而不是直接用char*呢？

一是不同编译器底层实现迭代器的方式是不同的。

二是可以实现二次封装，屏蔽了底层的实现细节，统一了上层访问容器的方式(用begin和end)。

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

7，预开空间(扩容)

void string::reserve(size_t n)
{
  if (n > _capacity)
  {
    //手动扩容，手动释放
    char* tmp = new char[n + 1];//多开一个给\0
    strcpy(tmp, _str);
    delete[] _str;
    _str = tmp;
    _capacity = n;
  }
}

8，尾插一个字符

8.1 先判断容量是否足够，再插入。

8.2 注意\0的处理。

//尾插一个字符
void string::push_back(char ch)
{
  if (_size == _capacity)
  {
    //先计算容量，2倍增
    size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    //再扩容
    reserve(newcapacity);
  }
  _str[_size] = ch;//覆盖\0的位置
  _str[_size + 1] = '\0';//补上\0
  ++_size;
}

9，尾插一个字符串

9.1 先判断容量是否足够，再插入。

9.2 插入字符串时strcat 和strcpy均可以实现。但是strcat的底层需要遍历找到\0再进行拼接，最后自动补上\0，效率不高；所以推荐使用strcpy。

//尾插字符串
void string::append(const char* str)
{
  size_t len = strlen(str);
  if (_size + len > _capacity)
  {
    reserve(_size + len);
  }
  //strcat:从\0的位置开始追加，最后自动补上\0
  //strcat(_str, str);
  strcpy(_str + _size, str);
  _size += len;
}

10，+=运算符重载

它的功能也是用来尾插字符或是字符串的，而且它比push_back和append使用的更广泛。

string& string::operator+=(char ch)
{
  push_back(ch);
  return *this;
}
string& string::operator+=(const char* str)
{
  append(str);
  return *this;
}

11，在pos位置插入字符/字符串

11.1 在pos位置插入字符

错误示范：

原因：当pos为0，即头插时，程序崩溃！因为end是无符号整形，减到0再减后会变成整形最大值(40多亿)，造成死循环。

猜想解决方法：

只把end的类型改为int，也不行。因为当一个操作符两边的操作数类型不一样时，会产生隐式类型转换，比如有符号与无符号，有符号会隐式转换成无符号类型。

void string::insert(size_t pos, char ch)
{
  assert(pos <= _size);//避免下标越界
  if (_size == _capacity)
  {
    size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    reserve(newcapacity);
  }
  size_t end = _size;
  while (end >= pos)
  {
    _str[end + 1] = _str[end];
    --end;
  }
  _str[pos] = ch;
  ++_size;
}

解决方法1：
把end的类型改为int，end指向最后一位有效位的下一位，把pos也强转为int类型。

//在指定位置插入 
void string::insert(size_t pos, char ch)
{
  assert(pos <= _size);//避免下标越界
  if (_size == _capacity)
  {
    size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    reserve(newcapacity);
  }
  int end = _size;
  while (end >= (int)pos)
  {
    _str[end + 1] = _str[end];
    --end;
  }
  _str[pos] = ch;
  ++_size;
}

解决方法2：
让end指向\0的下一位。

//在指定位置插入 
void string::insert(size_t pos, char ch)
{
  assert(pos <= _size);//避免下标越界
  if (_size == _capacity)
  {
    size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    reserve(newcapacity);
  }
  size_t end = _size + 1;
  while (end > pos)
  {
    _str[end] = _str[end - 1];
    --end;
  }
  _str[pos] = ch;
  ++_size;
}

11.2 尾插一个字符串

遇到的问题与上面的相同。

void string::insert(size_t pos, const char* str)
{
  assert(pos <= _size);//避免下标越界
  size_t len = strlen(str);
  if (_size + len > _capacity)
  {
    reserve(_size + len);
  }
  
  //方式1
  /*int end = _size;
  while (end >= (int)pos)
  {
    _str[end + len] = _str[end];
    end--;
  }*/
  
  //方式2
  size_t end = _size + len;
  while (end > pos+len-1)
  {
    _str[end] = _str[end - 1];
    end--;
  }
  memcpy(_str + pos, str, len);
  _size += len;
}

12，从pos位置开始删除长度为len的字符串

注意：

1.此处在声明中两个形参的缺省值，size_t pos = 0， size_t len = npos。

npos是const类型的静态成员变量，npos = -1，表示无符号整形的最大值(40多亿)。

2.声明和定义分离时，静态成员变量的初始化。当是const修饰的size_t类型的静态变量时，是可以在声明时给缺省值的！这是个特例！ 但是一般不这样，声明和定义分离时，只要在.cpp中初始化即可。

void string::erase(size_t pos, size_t len )
{
  assert(pos  < _size);
  
  //当len大于前面的字符个数时，有多少删多少
  if (pos+len >= _size)
  {
    _str[pos] = '\0';
    _size = pos;
  }
  else
  {
    strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
    _size -= len;
  }
}

13，从pos位置开始查找字符/字符串

13.1 查找字符

size_t string::find(char ch, size_t pos)
{
  for (size_t i = pos; i < _size; i++)
  {
    if (_str[i] == ch)
    {
      return i;
    }
  }
  return npos;
}

13.2 查找字符串

size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
  //strstr：str存在时返回所在位置的指针
  const char* p = strstr(_str + pos, str);
  
  return p - _str;
}

14，拷贝构造(传统)

当我们不显示实现深拷贝时，使用编译器默认的浅拷贝有两个危害：

14.1 s1和s2指向同一块空间，出了作用域时调用两次析构函数，造成程序崩溃。

14.2 修改一个，另外一个也会修改。

//要用深拷贝进行拷贝构造
//s2(s1);把s1拷贝给s2,*this是s2,s是s1的别名
string::string(const string& s)
{
  //开一个和要拷贝的一样大小的空间
  _str = new char[s._capacity + 1];
  strcpy(_str, s._str);//把数据拷贝进新空间
  _size = s._size;
  _capacity = s._capacity;
}

15，=赋值拷贝(传统)

开新空间，拷贝数据，释放原空间，改变指针指向。

//s1 = s3;//s1是*this,s是s3的别名
string& string::operator=(const string& s)
{
  //避免自己给自己赋值
  if (this != &s)
  {
       //多开一个空间给\0
    char* tmp = new char[s._capacity + 1];
    strcpy(tmp, s._str);
    delete[] _str;
    _str = tmp;
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
    return *this;
  }
}

16，交换函数swap

//s1.swap(s3)
void string::swap(string& s)
{
  //调用库中的swap函数，交换内置类型
  //不直接交换数据，而是交换两块空间的指针
  std::swap(_str, s._str);
  std::swap(_size, s._size);
  std::swap(_capacity, s._capacity);
}

17，从pos位置开始取len个字符的串

复用了前面的构造函数和+=运算符。

string string::substr(size_t pos, size_t len)
{
  //len大于pos后面剩余的字符，有多少取多少
  if (len > _size - pos)
  {
    string sub(_str + pos);//直接构造子串返回
    return sub;
  }
  else
  {
    string sub;
    sub.reserve(len);
    for (size_t i = 0; i < len; i++)
    {
      sub += _str[pos + i];
    }
    return sub;
  }
}

18. 字符串的比较

只要实现>运算符(或<运算符)和==运算符，其他运算符直接复用即可。

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

19，清除函数clear

清除当前对象里的内容，影响的是_size，不影响_capacity。

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

20，流插入，流提取

(1) 不适合写成成员函数，涉及第一个参数的位置问题。

(2) 根据声明可知，这两个函数并没有重载成友元函数，而是放在类外。

(3) 在日期类中写成友元是为了访问私有成员，这里可以不写成友元函数，不访问私有成员，直接访问公有成员。

20.1 流插入

ostream& operator<< (ostream& os, const string& str)
{
  for (size_t i = 0; i < str.size(); i++)
  {
    os << str[i];
  }
  return os;
}

20.2 流提取

注意：

(1) C语言中的scanf：%c时可以拿到空格，拿不到换行，遇到换行直接忽略； %s时两个都拿不到，遇到直接忽略。

C++中的cin:拿不到空格和换行，遇到直接忽略。

在C++中不能用scanf，因为C++的流和C语言的流缓冲区不同。

(2) 为了避免一次性输入够多导致频繁扩容，开辟一个局部数组buff(类似缓冲区)，先把字符存在buff中，到达一定数量后再存入str。

istream& operator>> (istream& is, string& str)
{
  str.clear();
  char buff[128];
  int i = 0;
  char ch = is.get();
  
  while (ch != ' ' && ch != '\n')
  {
    buff[i++] = ch;
    //0 - 126
    if (i == 127)
    {
      buff[i] = '\0';
      str += buff;
      i = 0;
    }
    ch = is.get();
  }
  //如果buff没有装满
  if (i != 0)
  {
    buff[i] = '\0'; 
    str += buff;
  }
  return is;
}

21，拷贝构造和赋值拷贝的现代写法(重点)

21.1 拷贝构造

复用构造函数，构造一个tmp，再用tmp对象和this交换。此时如果不在声明时给缺省值，刚开始s2是随机值，tmp和s2交换后，tmp就是随机值，tmp出了函数会调用析构函数，此时程序可能会崩溃，所以好给缺省值。

string::string(const string& s)
{
  //写法1：常用
  string tmp(s._str);
  swap(tmp);
  //写法2：
  //string tmp(s._str);
  //std::swap(_str, tmp._str);
  //std::swap(_size, tmp._size);
  //std::swap(_capacity, tmp._capacity);
}

21.2 赋值拷贝

写法1：

string& string::operator=(const string& s)
{
  //避免自己给自己赋值
  if (this != &s)
  {
    string tmp(s._str);
    swap(tmp);
  }
  return *this;
}

写法2：常用

这里使用传值传参：

(1) 传值传参会进行拷贝构造，s1会拷贝一份给临时变量tmp，tmp里的东西就是s3想要的，再让tmp与s3交换；

(2) 当tmp 的生命周期结束时，刚好又会调用析构函数，把原来s3中的东西清理掉。

//s3 = s1   
//这里的传参不能用引用，
string& string::operator=(string tmp)
{
  swap(tmp);//一行搞定赋值拷贝
  return *this;
}
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