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
- 字符串是表示字符序列的类
- 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。
- 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)。
- 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:
- string是表示字符串的字符串类
- 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。
- string在底层实际是:basic_string模板类的别名,typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
- 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:
- 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()。
- clear()只是将string中有效字符清空,不改变底层空间大小。
- 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。
- 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:
- 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。
- 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。
- 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!