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🪁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

《string官方文档》

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

namespaceYohifo//命名空间{
//定义一个 string 类classstring    {
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:
staticconstsize_tnpos=-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_t
static 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

staticconstcharc=1;    //合法，为整型家族staticconstdoubled=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(constchar*str="")
    :_size(strlen(str))
{
_capacity=_size;
_str=newchar[_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(conststring&s)
{
//将 s 对象拷贝给 *this_str=newchar[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=(conststring&s)
{
if (this!=&s)
    {
char*tmp=newchar[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"usingnamespaceYohifo;
//access    访问相关char&string::operator[](size_tpos)
{
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constchar&string::operator[](size_tpos) 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typedefchar*iterator; //简易迭代器typedefconstchar*const_iterator; //简易const迭代器//iterator  迭代器iteratorbegin()
{
return_str;
}
const_iteratorcbegin() const{
//需要再新增一个 const 版本return_str;
}
iteratorend()
{
return_str+_size;
}
const_iteratorcend() 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voidstring::push_back(charch)
{
//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_tn, charch)
{
//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(constchar*str)
{
intlen=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+=(charch)
{
//复用returnappend(1, ch);
}
string&string::operator+=(conststring&s)
{
//复用returnappend(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_tpos, size_tn, charch)
{
assert(pos<_size);
if (_size+n>_capacity)
reserve(_size+n);
//挪动size_tend=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_tcount=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

任意位置插入.gif

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_tpos, constchar*str)
{
assert(pos<_size);
intlen=strlen(str);
if (_size+len>_capacity)
reserve(_size+len);
//挪动size_tend=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_tpos, size_tlen)
{
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

任意位置删除.gif

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::iteratorstring::erase(iteratorbegin, iteratorend)
{
//复用erase(begin-_str, end-_str);
returnthis->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_tstring::size() const{
return_size;
}
size_tstring::capacity() const{
return_capacity;
}
boolstring::empty() const{
return_size==0;
}

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

voidstring::reserve(size_tcapacity)
{
//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=newchar[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'

voidstring::resize(size_tsize, charch)
{
//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stringstring::operator+(charch) const{
stringtmp(*this);  //传值返回，需要借助第三方变量tmp.push_back(ch);
returntmp;
}
stringstring::operator+(conststring&s) const{
stringtmp(*this);
tmp.append(s._str);
returntmp;
}

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

boolstring::operator<(conststring&s) const{
//直接调用库函数returnstrcmp(_str, s._str) <0;
}
boolstring::operator>(conststring&s) const{
//复用逻辑return!(*this<=s);   //不小于等于就是大于}
boolstring::operator==(conststring&s) const{
returnstrcmp(_str, s._str) ==0;
}
boolstring::operator!=(conststring&s) const{
return!(*this==s);   //等于取反就是不等于}
boolstring::operator<=(conststring&s) const{
return (*this<s) || (*this==s); //小于或等于}
boolstring::operator>=(conststring&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_tstring::find(charc, size_tpos) const{
assert(pos<_size);
//从 pos 位置开始，挨个比较while (pos<_size)
    {
if (_str[pos] ==c)
returnpos;
pos++;
    }
returnnpos;    //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_tstring::find(constchar*s, size_tpos) 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)
returnnpos;
returndst-_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

voidstring::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

voidstring::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*conststring::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, conststring&s)
{
//借助访问函数，输出字符串size_tpos=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charbuff[128] = { 0 }; //大小为128intpos=0;
charch=_cin.get();   //获取字符while (ch!=' '&&ch!='\n')
    {
buff[pos++] =ch;
if (pos==127)
         {
//拼接至 ss+=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charbuff[128] = { 0 }; //大小为128intpos=0;
charch=_cin.get();   //获取字符while (ch!='\n')
    {
buff[pos++] =ch;
if (pos==127)
         {
//链接至 ss+=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

sting_2_28 代码仓库

🎯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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如果本文有不足或错误的地方，随时欢迎指出，我会在第一时间改正

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🪁前言

🥏正文

1、结构

2、默认成员函数

2.1、构造与析构

2.2、拷贝与赋值

3、访问数据

3.1、下标访问

3.2、迭代器访问

4、修改数据

4.1、尾插

4.2、附加

4.3、重载

4.4、任意位置插入、删除

5、查看容量

5.1、大小、容量、判空

5.2、扩充容量

5.3、调整大小

6、运算符重载

6.1、字符串相加

6.2、逻辑判断

7、其他

7.1、查找

7.2、清理、交换

7.3、获取原生指针

8、读取与写入

8.1、流插入

8.2、流提取

8.3、获取整行串

9、整体代码

🎯总结

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