C++ STL 学习之【string】

简介: STL 是 C++ 的重要组成部分,由六大部分构成:伪函数、空间配置器、算法、容器、迭代器 和 配接器,其中各种各样的 容器 可以很好的辅助我们写程序,比如今天要介绍的 string,有了它之后,我们对字符串的操作就能变得行云流水

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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。


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📘前言


STL 是 C++ 的重要组成部分,由六大部分构成:伪函数、空间配置器、算法、容器、迭代器 和 配接器,其中各种各样的 容器 可以很好的辅助我们写程序,比如今天要介绍的 string,有了它之后,我们对字符串的操作就能变得行云流水


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注意: string 诞生于 STL 之前,因此存在部分接口冗余的情况


📘正文


本文介绍的是 string 部分常用接口


📖basic_string


string 是 basic_string模板 的一份实例,因为字符串多种多样,所以 string 也有各种各样的版本


string 常规字符串类,即每个字符占位 1byte

wstring 宽字符串类,用来处理较长字符串,Winows下占位 2byte,而 Linux下占位 4byte

u16string 匹配 UTF-16 编码标准,指定字符占位 2byte(C++11)

u32string 匹配 UTF-32 编码标准,规定字符占位 4byte(C++11)

世界上有各种各样的语言,其字符长度大多不一样,因此需要使用不同的 string 来匹配输出自己国家的字符

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📖编码理解


我们这里介绍的是 string 类,它匹配 UTF-8 标准,而此标准又兼容了 ASCII 码,因此比较常用


ASCII 是美国信息标准交换代码,仅仅通过 1byte 就能满足其字符需求

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UTF-8 的特点是能根据不同范围的字符匹配使用不同的标准,因为ASCII 都是 0xxxxxxx 的形式,当识别到其他字符时,会匹配使用对应标准,比如当识别到汉字时,会使用 GBK 编码标准来进行输出(Windows)

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后续随着万国码 Unicode 的诞生,提出了能适用更多语言的编码标准,即 UTF-16 和 UTF-32 ,而 basic_string 中的 u16string 和 u32string 这两个类就是用来匹配编码标准的


注: 这两个类是在 C++11 标准中制定的

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我们的 string 其实就是 basic_string <char> 的别名



📖构造函数相关


现在正式进入 string 类的学习,先从默认成员函数—构造函数入手


注意: string 包含于 iostream 头文件中,并且还需要展开 std 命名空间


🖋️无参(默认)构造函数


#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
  string s; //此时调用的是无参构造函数
  return 0;
}



调用无参构造函数时,默认将对象初始化为空串,即只包含 '\0' 的字符串


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🖋️带参构造函数


我们也可以指定 string 对象中的内容


int main()
{
  string s("Hello String!");  //指定内容
  //string s = "Hello String!"; //下面这种写法也是完全可以的
  return 0;
}

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string 也支持将对象构造为 n 个字符 c


int main()
{
  string s(10, 'w');  //构造10个w字符
  return 0;
}

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最后再来看看 string 类的 拷贝构造 函数


int main()
{
  string s1("Hello");
  string s2(s1);  //将 s1 的内容构造给 s2
  //string s2 = s1; //这种写法也是可以的
  return 0;
}


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📖容量操作相关


我们可以把 string 类看作一个专门用来处理字符的顺序表,因为它有字符指针、容量、长度等信息,我们也可以进行手动扩容等操作


🖋️获取数据


获取 string 对象中指向字符串的指针 _str


C++兼容C,在某些场景下需要使用指向字符串的指针,因此 string 类中提供了这个接口


int main()
{
  string s("hello");
  cout << s.c_str() << endl;  //获取对象s中的字符串指针
  return 0;
}

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此时直接打印内容的原因是当指针指向对象为常量字符串时,编译器会直接打印内容

我们可以通过强转来观察函数 c_str()


cout << (void*)s.c_str() << endl; //此时指针非常量字符指针

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通过函数 capapcity() 和 size() 获取当前对象的容量和大小


int main()
{
  string s(200, 'H'); //直接构造200个字符H
  cout << "The string capacity is " << s.capacity() << endl;
  cout << "The string size is " << s.size() << endl;
  //cout << "The string size is " << s.length() << endl;  //这种方式也能获取大小
  return 0;
}

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length() 函数能起到和 size() 函数完全一样的效果, 那为什么会有两个函数呢?


string 诞生于 STL 之前,当时的设计的获取大小函数为 length()

后来当 string 并入 STL 后,委员会为了统一化,就在 string 类中添加了一个 size() 函数,因为其他容器中获取大小的函数都是 size()

为了确保向前兼容性,不能直接删除 length(),这里推荐使用 size()

🖋️扩容空间


new 出来的空间不支持像 realloc 一样直接扩容,而是需要通过函数扩容


realloc 大多数情况下都是异地扩容,即 开辟-拷贝-销毁-更改指向

而 reserve() 函数实现的就是异地扩容

int main()
{
  string s(30, 'H');  //初始化大小为10
  cout << "The default capacity " << s.capacity() << endl;
  s.reserve(300); //扩容为300
  cout << "The expansion capacity " << s.capacity() << endl;
  return 0;
}

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VS 中的容量都会稍微多一点


假若我们不手动扩容,string 也会像顺序表一样,识别到容量不够时,自动扩容


VS中 string 的扩容策略


默认给一个大小为 15 的数组存储数据,当数组够用时,都是用的数组

当数组容量不够时,改用指针,先 2倍 扩容至 30,后续字符都是存在指针中

之后的扩容操作,都是以 1.5倍 进行扩容

会多开辟一些空间

Linux中 string 的扩容策略


默认大小为 0 的空间

当第一次扩容时,会先扩至 1

扩容时每次都是 2倍 扩容法,比较清晰

不会多开空间

int main() 
{
  string s;
  int capacity = s.capacity();
  cout << "The default capacity " << capacity << endl;
  int n = 0;
  while (n <= 100)
  {
  //尾插字符
  s += 'a';
  if (capacity != s.capacity())
  {
    capacity = s.capacity();
    cout << "The new capacity " << capacity << endl;
  }
  n++;
  }
  return 0;
}




至于 Windows 中为何如此复杂?首先是 STL 版本不同,其次string 在实际使用中,都用不了太大的空间,因此 VS 就直接索性给了一个默认大小为 15 的数组,后续有需要再进行扩容

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频繁扩容会导致内存碎片问题,VS在这里的处理方法是比较合理的


小技巧: 在使用 string 时,可以先提前计算好需要的空间,然后通过 reserve 直接提前扩好,避免因自动扩容而导致的内存碎片问题


🖋️调整长度


除了可以扩容外,我们还可以改变 size


int main()
{
  string s(50, 'W');  //当前的 size 为50
  cout << "The default size " << s.size() << endl;
  cout << "The default capacity " << s.capacity() << endl;
  cout << endl;
  s.resize(30); //改变 size 为30
  //s.resize(100, 'Z'); //还可以这样写,更改后50块空间为 Z
  cout << "The new size " << s.size() << endl;
  cout << "The new capacity " << s.capacity() << endl;
  return 0;
}

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resize() 有两种情况:


调整后空间比原空间大,此时相当于扩容 reserve(),不过 resize() 还有一个初始化的功能,即将参数2设为指定字符,如果没有指定就默认为 \0

调整后空间比原空间小,此时将 _size 调整至目标空间,而 _capapcity 不变,此时我们也无法访问到 _size 之外的数据

resize() 并不会缩容,因为缩容的代价比较大,需要先开辟新空间,然后拷贝,释放原空间,才能完成缩容,因此 resize() 在处理时,若新空间比原空间小,是不会改变 _capaciy 的


📖遍历字符相关


字符串当然少不了遍历操作,主要有三种遍历方式:下标、at()、迭代器,因为 下标 和 at() 区别不大,所以可以一起介绍,而 迭代器 是一个很重要的东西,后续容器学习中都会出现它的影子


🖋️下标访问

首先来看看 下标访问,实现原理很简单:运算符重载 operator[]


int main()
{
  string s("chatGPT");
  size_t pos = 0; //下标
  while (pos < s.size())
  {
  //直接像数组一样通过下标访问字符
  cout << "The " << pos + 1 << " char is " << s[pos] << endl;
  pos++;
  }
  return 0;
}

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当我们出现越界行为时,下标访问是直接通过 assert 报错的


下面再来看看 at()


cout << "The " << pos + 1 << " char is " << s.at(pos) << endl;


运行结果与 operator[] 一致,其实这两种方法的实现原理都一样,不过处理问题的方法不一样


当出现越界访问,at() 是抛出异常,而非直接断言报错


总的来说,at() 用的比较少,我们一般都是使用 operator[] 来进行下标的随机访问


🖋️迭代器


下面来看看迭代器 iterator 遍历字符串


int main()
{
  string s("chatGPT");
  //创建迭代器
  string::iterator it = s.begin();  //此时的it相当于指向第一个字符的指针
  //auto it = s.begin();  //可以利用 auto 自动识别类型
  while (it != s.end())
  {
  cout << *it;
  it++;
  }
  cout << endl;
  return 0;
}

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注: begin() 获取第一个字符,end() 获取最后一个字符的下一个字符,即 '\0'


除了可以正向遍历外,我们还可以通过反向迭代器 reverse_iterator 进行反向遍历


int main()
{
  string s("chatGPT");
  //创建反向迭代器
  string::reverse_iterator rit = s.rbegin();  //此时的rit相当于指向最后一个字符的指针
  //auto it = s.begin();
  while (rit != s.rend())
  {
  cout << *rit;
  rit++;
  }
  cout << endl;
  return 0;
}


注: rbegin() 获取最后一个字符,rend() 获取第一个字符的前一个字符


迭代遍历区间都是左闭右开


除了上面两种普通迭代器外,还有两个 const 修饰的迭代器,用来遍历常量字符串


const_iterator 正向遍历常量字符串

const_reverse_iterator 反向遍历常量字符串

注意:


迭代器名 const_iterator 中的 const 并非是 const 操作符,而是与普通迭代器构成重载

迭代器不太适合遍历顺序表,适合用来遍历链表

所谓的 范围for 其实就是在调用迭代器进行遍历

📖字符修改相关


现在来谈谈字符修改相关接口


🖋️尾插字符/字符串

尾插字符/字符串有三种方式:


push_back() 尾插字符

append() 尾插字符/字符串

operator+= 尾插字符/字符串

先来看看 push_back()


int main()
{
  string s = "Hello ";
  //尾插字符
  s.push_back('X');
  cout << s << endl;
  return 0;
}

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push_back() 就像是顺序表的尾插,一次只能插入一个字符


再来看看 append()


int main()
{
  string s = "Hello ";
  //尾插字符
  s.append(3, 'X'); //需要指定待插入的字符数
  s.append(" YYY"); //或者直接插入字符,都是可以的
  cout << s << endl;
  return 0;
}


int main()
{
  string s = "Hello ";
  //尾插字符
  s += 'C'; //直接和字符拼接
  s += "SDN"; //和字符串拼接也是可以的
  cout << s << endl;
  return 0;
}

append() 还有很多其他用法,感兴趣的可以去查看官方文档

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最后再来看看 operator+= ,这个是使用频率最高的,因为比较方便




在日常使用中,对于字符串尾插这件事,我们通常都是使用 operator+=


🖋️任意位置插入字符/字符串


string 支持在任意位置插入字符/字符串


int main()
{
  string s("cccccc");
  cout << "Begin insert:" << s << endl;
  s.insert(2, 1, 'A');  //在第 n 个位置插入 m 个字符 c
  s.insert(4, "BBB"); //在第 n 个位置插入字符串
  cout << "After insert:" << s << endl;
  return 0;
}

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insert() 的用法同样还有很多,可以自行查看官方文档


🖋️删除字符/字符串


有任意位置插入,当然就有任意位置删除 erase()


int main()
{
  string s("ABCDEFG");
  cout << "Begin erase:" << s << endl;
  //任意位置删除
  s.erase(3, 1);  //从pos3开始,删除第1个字符
  cout << "After erase 1 char:" << s << endl;
  s.erase(2, 4);  //从pos2开始,删除4个字符
  cout << "After erase 4 char:" << s << endl;
  s.erase();  //默认全删
  cout << "After erase all:" << s << endl;
  return 0;
}

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注意: erase() 是一个全缺省参数,参数1为 0 ,表示默认从 pos0 开始,参数2为 npos,这是无符号整型中的 -1 ,为无符号整型最大值,意思就是如果不写参数2,默认就全删完了

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来看看 npos

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它的值是 4294967295,没有字符串长达 42亿 多,因此可以用来当作默认长度值


🖋️查找字符/字符串位置


string 类中提供了查找字符/字符串的函数 find()


int main()
{
  string s("My name is KiKi");
  //查找,返回的是目标字符/字符串第一次出现的下标
  cout << "Find 1 char pos: " << s.find('n') << endl; //找字符,默认从pos0开始
  cout << "Find str pos: " << s.find("KiKi", 5) << endl;  //找字符串,从pos5开始
  cout << "Find not exist str pos: " << s.find("KaKa", 10) << endl; //假设没找到
  return 0;
}


可以看到,当目标不存在时,返回的就是 npos


find() 还有几种形式:


rfind() 从后往前找

find_first_of(str, pos = 0) 从pos位置往后,找 str 中出现的任意字符

find_last_of(str, pos = npos) 从 npos 位置往前,找 str 中出现的任意字符

find_first_not_of() 反向查找

find_last_not_of() 反向查找

string 类的接口雀氏很多


🖋️截取字符串


我们可以截取字符串中的目标字符串 substr()


int main()
{
  string s("I am an iKun, love sing、jump、rap and basketball");
  //利用 find 和 substr 切割出 iKun
  cout << "The target is " << s.substr(s.find('i'), 4) << endl;
  return 0;
}



食不食油饼~

其实 substr() 通常用来截取网址中的域名


📖非成员函数


string类中还有很多定义在类外的非成员函数


🖋️流操作


我们可以直接对 string 对象使用流插入 operator<< 和流提取 operator>>


int main()
{
  string s;
  cin >> s;
  cout << s;
  return 0;
}



🖋️获取字符串


单纯的流插入是无法满足字符串插入需要的,因为字符串中往往都会包含 ' ',而 cin 会认为这是结束标志,进而不再读取字符,因此有专门的函数获取字符串 getline()


#include<string>
int main()
{
  string s;
  getline(cin, s);  //需要包含头文件 string
  cout << s;
  return 0;
}



注意: 需要包含头文件 string


🖋️比较函数


string 类中存在一系列的大小比较函数(18个),光是判断相等就有3个,其实没必要设计这么多函数,这可能也是 string 饱受别人吐槽的原因之一,大佬陈浩也写过相关文章吐槽

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原文出处:《STL中的string类怎么啦?》


📖相关试题


简单学完 string 类后,还是有很多试题值得我们去练习的,感兴趣的同学可以点击下面的链接直达题目仓库


string值得练习的题目


📘总结

以上就是本次关于 STL 之 string 的全部讲解了,string 类接口众多,但常用的也就那二三十个,其中大多数函数都有多个版本,如果还想了解更多关于 string 类细节的,可以阅读官方文档


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