C++:string类!

简介: C++:string类!

C++string 是C++中的字符串。 字符串对象是一种特殊类型的容器,专门设计来操作的字符序列。 不像传统的c-strings,只是在数组中的一个字符序列,我们称之为字符数组,而C++字符串对象属于一个类,这个类有很多内置的特点,在操作方式,更直观,另外还有很多有用的成员函数


1.标准库中的string类

1.1 string类(了解)

在学习string类时,查阅文档是很重要的,函数接口都有详细介绍,下面是C++官网上string的参考

string类的文档介绍

  1. 字符串是表示字符序列的类
  2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持,其接口类似于标准字符容器的接口,但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
  3. string类是使用char(即作为它的字符类型,使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息,请参阅basic_string)。4. string类是basic_string模板类的一个实例,它使用char来实例化basic_string模板类,并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
  4. 注意,这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列,这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器,将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结:

  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

在使用string类时,必须包含#include头文件以及using namespace std;

1.2 string类的常用接口说明(注意下面我只讲解最常用的接口)

1. string类对象的常见构造

(constructor)函数名称 功能说明
string() (重点) 构造空的string类对象,即空字符串
string(const char* s) (重点) 用C-string来构造string类对象
string(size_t n, char c) string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) (重点) 拷贝构造函数
void Teststring()
{
    string s1; // 构造空的string类对象s1
    string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
    string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

2. string类对象的容量操作

函数名称 功能说明
size(重点) 返回字符串有效字符长度
length 返回字符串有效字符长度
capacity 返回空间总大小
empty (重点) 检测字符串释放为空串,是返回true,否则返回false
clear (重点) 清空有效字符
reserve (重点) 为字符串预留空间**
resize (重点) 将有效字符的个数该成n个,多出的空间用字符c填充

注意:

  1. size()与length()方法底层实现原理完全相同,引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致,一般情况下基本都是用size()。
  2. clear()只是将string中有效字符清空,不改变底层空间大小。
  3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个,不同的是当字符个数增多时:resize(n)用0来填充多出的元素空间,resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意:resize在改变元素个数时,如果是将元素个数增多,可能会改变底层容量的大小,如果是将元素个数减少,底层空间总大小不变。
  4. reserve(size_t res_arg=0):为string预留空间,不改变有效元素个数,当reserve的参数小于
    string的底层空间总大小时,reserver不会改变容量大小

参考:

void test_string7()
{
  string s("hello world");
  cout << s.capacity() << endl;//最开始capacity是15 ,后面还有一个'\0'
  cout << s.size() << endl;//11
  //s.resize(13);//不给实际值,会将多出的补'\0'
  //cout << s << endl;
  //cout << s.size() << endl;
  //s.resize(13,'x');//原有数据不变,后面补'x'
  s.resize(20,'x');//大于原有的capacity会扩容
  cout << s << endl;
  cout << s.size() << endl;
  cout << s.capacity() << endl;
  s.resize(5);//小于原有的size,会删除后面的数据
  cout << s << endl;
  cout << s.size() << endl;
  cout << s.capacity() << endl;
  //at 与 operator[] 类似,但at越界只会抛异常,【】会断言终止程序
  //s.at(0);
  //s[0];
}

3.string类对象的访问及遍历操作

函数名称 功能说明
operator[] (重
点)
返回pos位置的字符,const string类对象调用
begin+ end begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭
代器
rbegin + rend begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭
代器
范围for C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

参考:

void test_string2()
{
  string s1("hello world");
  string s2 = "hello world";//先构造,再拷贝构造,编译器优化为一步构造。
  //遍历string
  //读
  for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
  {
    cout << s1[i] << " ";
  }
  cout << endl;
  //写   
  for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
  {
    s1[i]++;
  }
  cout << s1 << endl;
  //迭代器  行为上像指针
  string::iterator it = s2.begin();
  //s2.end()是指向有效字符的下一位,'\0'
  //while(it < s2.end()) //这里可以,但不建议。因为这里物理空间是连续的,链表等不是连续的
  while (it != s2.end())
  {
    //读
    cout << *it << " ";
    it++;
  }
  cout << endl;
  it = s2.begin();
  while (it != s2.end())
  {
    //写
    *it = 'a';
    it++;
  }
  cout << s2 << endl;
}

4. string类对象的修改操作

函数名称 功能说明
push_back 在字符串后尾插字符c
append 在字符串后追加一个字符串
operator+= (重点) 在字符串后追加字符串str
c_str(重点) 返回C格式字符串
find + npos(重点) 从字符串pos位置开始往后找字符c,返回该字符在字符串中的位置
rfind 从字符串pos位置开始往前找字符c,返回该字符在字符串中的位置
substr 在str中从pos位置开始,截取n个字符,然后将其返回

注意:

  1. 在string尾部追加字符时,s.push_back(c) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多,一般情况下string类的+=操作用的比较多,+=操作不仅可以连接单个字符,还可以连接字符串。
  2. 对string操作时,如果能够大概预估到放多少字符,可以先通过reserve把空间预留好。
  3. npos是const静态成员变量, const static size_t npos = -1;size_t中-1会当作无符号处理,就是无符号整形最大值。
void test_string11()
{
  string s1("test.c.tar.zip");
  //size_t i = s1.find('.');
  //cout << i << endl;
  size_t i = s1.rfind('.');
  cout << i << endl;
  string s2 = s1.substr(i);//取后面的数据
  cout << s2 << endl;
  string s3("https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/rfind/");
  //取协议
  //域名
  //资源名
  string sub1, sub2, sub3;
  size_t i1 = s3.find(':');
  if (i1 != string::npos)//没有找到,i1 等于静态成员变量npose
    sub1 = s3.substr(0, i1);
  size_t i2 = s3.find('/', i1 + 3);
  if (i2 != string::npos)
    sub2 = s3.substr(i1+3, i2-i1-3);
  sub3 = s3.substr(i2+1);
  cout << sub1 << endl;
  cout << sub2 << endl;
  cout << sub3 << endl;
}

5.string类非成员函数

函数 功能说明
operator+ 尽量少用,因为传值返回,导致深拷贝效率低
operator>> (重点) 输入运算符重载
operator<< (重点) 输出运算符重载
getline (重点) 获取一行字符串
relational operators (重点) 大小比较

上面的几个接口大家了解一下,下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作,这里不一一列举,大家在需要用到时不明白了查文档即可。

6. vs和g++下string结构的说明

注意:下述结构是在32位平台下进行验证,32位平台下指针占4个字节。

vs下string的结构:

string总共占28个字节,内部结构稍微复杂一点,先是有一个联合体,联合体用来定义string中字

符串的存储空间:

  • 当字符串长度小于16时,使用内部固定的字符数组来存放
  • 当字符串长度大于等于16时,从堆上开辟空间
union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger one
    value_type _Buf[_BUF_SIZE];
    pointer _Ptr;
    char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的,大多数情况下字符串的长度都小于16,那string对象创建好之后,内

部已经有了16个字符数组的固定空间,不需要通过堆创建,效率高。

其次:还有一个size_t字段保存字符串长度,一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量

最后:还有一个指针做一些其他事情。

故总共占16+4+4+4=28个字节。

g++下string的结构

G++下,string是通过写时拷贝实现的,string对象总共占4个字节,内部只包含了一个指针,该指针将来指向一块堆空间,内部包含了如下字段:

  • 空间总大小
  • 字符串有效长度
  • 引用计数
struct _Rep_base
{
    size_type _M_length;
    size_type _M_capacity;
    _Atomic_word _M_refcount;
};
  • 指向堆空间的指针,用来存储字符串。字符串跟在最后面,与柔性数组有些相似。

2. string模拟实现

2.1 经典的string类问题

上面已经对string类进行了简单的介绍,大家只要能够正常使用即可。在面试中,面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类,最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下string类的实现是否有问题?

// 为了和标准库区分,此处使用String
class String
{
public:
    /*String()
    :_str(new char[1])
    {*_str = '\0';}
        */
    //String(const char* str = "\0") 错误示范
    //String(const char* str = nullptr) 错误示范
    String(const char* str = "")
    {
        // 构造String类对象时,如果传递nullptr指针,可以认为程序非
        if (nullptr == str)
        {
            assert(false);
            return;
        }
    _str = new char[strlen(str) + 1];
    strcpy(_str, str);
    }
    ~String()
    {
        if (_str)
        {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }
    private:
    char* _str;
}
// 测试
void TestString() //这里会出现浅拷贝的错误
{
    String s1("hello xlh!!!");
    String s2(s1);
}

说明:上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载,此时编译器会合成默认的,当用s1构造s2时,编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是,s1、s2共用同一块内存空间,在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃,这种拷贝方式,称为浅拷贝

2.2 浅拷贝

浅拷贝:也称位拷贝,编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源,最后就会导致多个对象共享同一份资源,当一个对象销毁时就会将该资源释放掉,而此时另一些对象不知道该资源已经被释放,以为还有效,所以当继续对资源进项操作时,就会发生发生了访问违规。

就像一个家庭中有两个孩子,但父母只买了一份玩具,两个孩子愿意一块玩,则万事大吉,万一不想分享就你争我夺,玩具损坏。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题,即:每个对象都有一份独立的资源,不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具,各自玩各自的就不会有问题了

2.3 深拷贝

如果一个类中涉及到资源的管理,其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

2.3.1 传统版写法与现代法的String类

class string
  {
  public:
        //构造函数
    string(const char* str = "")//后面会有一个'\0'
      :_size(strlen(str))//初始化列表按成员声明顺序执行
      , _capacity(_size)
      ,_str(new char[strlen(str)+1])
    {
      strcpy(_str, str);
    }
        void swap(string& s)
    {
      std::swap(_str, s._str);
      std::swap(_size, s._size);
      std::swap(_capacity, s._capacity);
    }
        //拷贝构造函数
    //传统写法
    /*string(const string& str)
    {
      _size = str._size;
      _capacity = str._capacity;
      _str = new char[_capacity + 1];
      strcpy(_str, str._str);
    }*/
    string(const string& str)
      :_size(0)
      , _capacity(0)
      ,_str(nullptr)
    {
      string tmp(str._str);//调用构造函数
      swap(tmp);
    }
        //赋值运算符重载
    //传统写法
    //string& operator=(const string& str)
    //{
    //  if(this != &str)
    //  {
    //    /*reserve(str._size);
    //    strcpy(_str, str._str);
    //    _size = str._size;
    //    return *this;*/
    //    char* tmp = new char[str._capacity + 1];
    //    strcpy(tmp, str._str);
    //    delete[] _str;
    //    _str = tmp;
    //    _size = str._size;
    //    _capacity = str._capacity;
    //    return *this;
    //  }
    //}
    //现代写法
    //string& operator=(const string& str)
    //{
    //  if (this != &str)
    //  {
    //    string tmp(str);//调用拷贝构造
    //    //string tmp(str._str);//也可以调用构造函数
    //    //this->swap(tmp);
    //    swap(tmp);//tmp最后会释放原来this的空间
    //  }
    //  return *this;
    //}
    //极致的现代写法
    string& operator=(string tmp)
    {
      swap(tmp);
      return *this;
    }
        //析构函数
    ~string()
    {
      delete[] _str;
      _str = nullptr;
      _size = _capacity = 0;
    }
    private:
    char* _str;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
    const static size_t npos;
    //静态成员变量,不走初始化列表,静态成员变量不能给缺省值
    //const 静态 整形 可以
    //const size_t string::npos = -1;//特例
};

2.4 写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症,是g++采用的一种方式,是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数:用来记录资源使用者的个数。在构造时,将资源的计数给成1,每增加一个对象使用该资源,就给计数增加1,当某个对象被销毁时,先给该计数减1,然后再检查是否需要释放资源,如果计数为1,说明该对象时资源的最后一个使用者,将该资源释放;否则就不能释放,因为还有其他对象在使用该资源。

其他函数的模拟实现可以在看我gitte上看:代码链接

本篇结束!

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