【C++】模拟实现string类-阿里云开发者社区

模拟实现string类

namespace imitate
{
  class string
  {};
}

首先创建一个命名空间域，这个域被用来模拟string类。

class string
  {
  private:
    char* _str;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
  };

类中的私有成员变量同顺序表一样，包括字符数组、无符号整型_size和_capcity。

public:
    string(const char* str = "")
    {
      _size = strlen(str);
      _capacity = strlen(str);
      _str = new char[_capacity + 1];
      memcpy(_str, str, _size + 1);
    }

类中模拟实现默认构造函数，内置成员变量类型未写在初始化列表是因为_str的初始化需要动态开辟。

~string()
    {
      delete[] _str;
      _str = nullptr;
      _size = _capacity = 0;
    }

模拟实现默认析构函数。

const char* c_str() const
    {
      return _str;
    }

模拟实现返回c字符串函数，方便后续验证。

size_t size() const
    {
      return _size;
    }

模拟实现size函数，可以获取字符串的长度

char& operator[](size_t pos)
    {
      assert(pos <= _size);
      return _str[pos];
    }

const char& operator[](size_t pos) const
    {
      assert(pos <= _size);
      return _str[pos];
    }

模拟实现operator[ ]函数，可以用于遍历字符串；前者是用于可以修改的字符串；后者是用于不可修改的字符串。

typedef char* iterator;
    typedef const char* const_iterator;
    iterator begin()
    {
      return _str;
    }
    iterator end()
    {
      return _str + _size;
    }
    const_iterator begin() const 
    {
      return _str;
    }
    const_iterator end() const
    {
      return _str + _size;
    }

模拟实现迭代器，可以用于遍历或者范围for的使用。

void reserve(size_t n = 0)
    {
      if (n > _capacity)
      {
        char* tmp = new char[n + 1];
        memcpy(tmp, _str, _size);
        delete[] _str;
        _capacity = n;
        _str = tmp;
      }
    }

模拟实现reserve()函数，用于请求字符串容量，new char[n+1]是为了后续扩容时，保证可以将’\0’录入

void push_back(char c)
    {
      if (_capacity == _size)
      {
        //二倍扩容:判断_capacity是否为空
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
      }
      _str[_size] = c;
      ++_size;
      _str[_size] = '\0';
    }

模拟实现push_back()函数，后增一个字符。

string& append(const char* s)
    {
      size_t len = strlen(s);
      if (_size + len > _capacity)
      {
        reserve(_size + len);
      }
      memcpy(_str + _size, s, _size + len + 1);
      _size += len;
      return *this;
    }

模拟实现append()函数，后增字符串。

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

模拟实现operator+=()函数，方便字符串的后增。

class string
  {
  public:
    const static size_t npos;
  };
  const size_t string::npos = -1;

模拟一个静态成员变量，静态成员变量的初始化需要在类外面。

void insert(size_t pos, size_t n, char c)
    {
      assert(pos <= _size);
      if (_size + n > _capacity)
      {
        reserve(_size + n);
      }
      //挪动数据
      size_t end = _size;
      //end不等于npos是为了防止原字符串为空
      while (end >= pos && end != npos)
      {
        _str[end + n] = _str[end];
        --end;
      }
      //添加数据
      for (size_t i = pos; i < n + pos; ++i)
      {
        _str[i] = c;
      }
      _size += n;
    }

void insert(size_t pos, const char* str)
    {
      assert(pos <= _size);
      size_t len = strlen(str);
      if (_size + len > _capacity)
      {
        reserve(_size + len);
      }
      //挪动数据
      size_t end = _size;
      //end不等于npos是为了防止原字符串为空
      while (end >= pos && end != npos)
      {
        _str[end + len] = _str[end];
        --end;
      }
      //添加数据
      for (size_t i = 0; i < len; ++i)
      {
        _str[i + pos] = str[i];
      }
      _size += len;
    }

模拟实现insert()函数，用于插入n个字符或者字符串。

void erase(size_t pos, size_t len = npos)
    {
      assert(pos <= _size);
      if (pos + len >= _size || len == npos)
      {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
      }
      else
      {
        size_t end = pos + len;
        while (end <= _size)
        {
          _str[pos++] = _str[end++];
        }
        _size -= len;
      }
    }

模拟实现erase()函数，用于实现擦除字符串。

size_t find(char c, size_t pos = 0)
    {
      assert(pos <= _size);
      for (int i = pos; i < _size; ++i)
      {
        if (_str[i] == c)
        {
          return i;
        }
      }
      return npos;
    }

模拟实现find()函数，用于查找字符

string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
    {
      assert(pos <= _size);
      size_t n = len;
      if (pos + len >= _size || len == npos)
      {
        n = _size - pos;
      }
      string tmp;
      reserve(n);
      for (int i = 0; i < n; ++i)
      {
        tmp[i] = _str[pos + i];
      }
      return tmp;

模拟实现substr()，用于实现生成子字符串。

void resize(size_t n, char ch = '\0')
    {
      if (n < _size)
      {
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
      }
      else
      {
        reserve(n);
        for (size_t i = _size; i < n; ++i)
        {
          _str[i] = ch;
        }
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
      }
    }

模拟实现resize()，用于调整字符串。在调整字符串的过程中有三种情况：1.当n小于_size时，不需要扩容；2.当n大于_size时，不需要扩容；3.当n大于_size时，需要扩容。

std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const string& s)
  {
    for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
    {
      out << s[i];
    }
    return out;
  }

使用不设置友元的运算符重载函数operator<<()，用于流插入。在使用流提取需要注意流插入是打印全部内容，而c.str()函数可以打印到’\0’。

c的字符数组，以’\0’为终止计算长度。

string不关注’\0’，以_size终止计算长度。

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

模拟实现clear()函数，用于清理字符串。

std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s)
  {
    s.clear();
    char ch;
    ch = in.get();
    while (ch == ' ' || ch == '\n')
    {
      ch = in.get();
    }
    char buff[128] = "\0";
    size_t i = 0;
    while (ch != ' ' && ch != '\n')
    {
      buff[i++] = ch;
      if (i == 127)
      {
        buff[127] = '\0';
        s += buff;
        i = 0;
      }
      ch = in.get();
    }
    if (i != 0)
    {
      buff[i] = '\0';
      s += buff;
    }
    return in;
  }

模拟实现无友元的运算符重载函数operator>>()，用于流提取。

【注意】

1.字符串不能使用const

2.in>>ch无法读取’ ‘以及’\0’，会导致一直处于流提取的状态，所以需要in.get()函数读每一个字符。

3.再次输入数组是，上一次数据尚未清理，导致打印俩次内容，所以需要补充clear()函数。

4.数据太多可以会导致扩容次数太多，推荐设置一个char类型的数据，一次性提取。

5.需要除去字符串前面的’ ’ 和’\n’，所以需要将其循环掉。

bool operator<(const string& s)
    {
      size_t i1 = 0;
      size_t i2 = 0;
      while (i1 < _size && i2 << s._size)
      {
        if (_str[i1] < _str[i2])
        {
          return true;
        }
        else if (_str[i1] > _str[i2])
        {
          return false;
        }
        else
        {
          ++i1;
          ++i2;
        }
      }
      //三种情况：
      //"hello" "hello"
      //"helloxxx" "hello"
      //"hello" "helloxxx"
      return (_size >= s._size) ? false : true;
    }
    bool operator==(const string& s)
    {
      return _size == s._size && memcmp(_str, s._str, _size) == 0;
    }
    bool operator<=(const string& s)
    {
      return *this < s || *this == s;
    }
    bool operator>(const string& s)
    {
      return !(*this <= s);
    }
    bool operator>=(const string& s)
    {
      return !(*this < s);
    }

模拟实现用于比较的运算符重载函数，需要注意的是，比较字符串的时候是比较ASCII码值，在模拟实现的过程中需要注意上述的三种情况。

浅拷贝与深拷贝

上述已经模拟实现了实际中常使用的string类，但是有一个核心的知识点没有讲解，就是拷贝构造。

imitate::string s1("hello world");
  imitate::string s2(s1);

使用上述代码进行测试，如果执行的是编译器实现的默认拷贝构造，则s2的_size、_capacity会与s1相同，但是s2._str并不会自动动态开辟空间，而会指向s1，当结束时，会对这块空间析构俩次。

imitate::string s1("hello world");
  imitate::string s2("xxxxxxxxxxx");
  s1 = s2;

同样，这段代码也会出现相同的问题，"hello world"这快空间不会被释放，而"xxxxxxxxxx"这块空间会被释放俩次。

上述俩个例子的string类没有显示定义其拷贝构造函数，此时编译器会合成默认的，当s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终会导致s1与s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次会导致程序崩溃，而这种拷贝方式被称为浅拷贝。

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，当一个对象销毁四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，以为还会有效，所以当继续对资源进行项操作时，就会发生访问违规。

string(const string& s)
    {
      _size = s._size;
      _capacity = s._capacity;
      size_t len = strlen(s._str);
      _str = new char[len + 1];
      memcpy(_str, s._str, len + 1);
    }

我们可以自己实现一个拷贝构造函数，即采用深拷贝的方式解决问题，每一个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。

如果一个类中涉及到资源的管理（例如动态开辟空间），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，一般都是按照深拷贝方式提供。

string(const string& s)
    {
      size_t len = strlen(s._str);
      _str = new char[len + 1];
      memcpy(_str, s._str, len + 1);
      _size = s._size;
      _capacity = s._capacity;
    }

string& operator=(const string& s)
    {
      if (*this != s)
      {
        delete[] _str;
        _str = new char[strlen(s._str) + 1];
        _size = s._size;
        _capacity = s._capacity;
      }
      return *this;
    }

这俩种方式是传统版写法的string类。

string& operator=(const string& s)
    {
      if (*this != s)
      {
        string tmp(s);
        std::swap(_size, tmp._size);
        std::swap(_capacity, tmp._capacity);
        std::swap(_str, tmp._str);
      }
      return *this;
    }

string& operator=(string tmp)
    {
      if (*this != tmp)
      {
        std::swap(_size, tmp._size);
        std::swap(_capacity, tmp._capacity);
        std::swap(_str, tmp._str);
      }
      return *this;
    }

这俩种方式是现代版本的深拷贝，现代版本的深拷贝利用了每一个函数的析构。

写时拷贝（了解）

进行拷贝构造时，深拷贝和浅拷贝可能存在部分问题。

对于深拷贝而言：如果只是对数据进行拷贝，而并未对数据继续修改等操作，那么深拷贝的代价可能会比较大；

对于浅拷贝而言：核心问题有俩个，其一是会对同一块空间析构俩次，其二是当一个对象被修改时，另外一个对像也会随之修改。

这里可以采用的办法是，先对数据进行浅拷贝，添加一个数据，对一块空间进行引用计数。

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改资源，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，说明该对象此时为资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，将计数器减一即可，因为还有其他对象再使用该资源。

这里就可以很好的解决浅拷贝的析构问题，但是当一个对象被修改时，另外一个对象也会修改，此时采取的办法是进行写时拷贝。

写时拷贝，可以看作是一种拖延症，写时拷贝是在引用计数的基础上进行修改的，如果引用计数的值不为1，则进入深拷贝，再对其进行修改。

在gcc环境下，采取的是写时拷贝：

在vs环境下，采取的是深拷贝：

string类的模拟实现代码

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<iostream>
#include<assert.h>
namespace imitate
{
  class string
  {
  public:
    string(const char* str = "")
    {
      _size = strlen(str);
      _capacity = strlen(str);
      _str = new char[_capacity + 1];
      memcpy(_str, str, _size + 1);
    }
    string(const string& s)
    {
      size_t len = strlen(s._str);
      _str = new char[len + 1];
      memcpy(_str, s._str, len + 1);
      _size = s._size;
      _capacity = s._capacity;
    }
    //string& operator=(const string& s)
    //{
    //  if (*this != s)
    //  {
    //    delete[] _str;
    //    _str = new char[strlen(s._str) + 1];
    //    _size = s._size;
    //    _capacity = s._capacity;
    //  }
    //  return *this;
    //}
    //string& operator=(const string& s)
    //{
    //  if (*this != s)
    //  {
    //    string tmp(s);
    //    std::swap(_size, tmp._size);
    //    std::swap(_capacity, tmp._capacity);
    //    std::swap(_str, tmp._str);
    //  }
    //  return *this;
    //}
    string& operator=(string tmp)
    {
      if (*this != tmp)
      {
        std::swap(_size, tmp._size);
        std::swap(_capacity, tmp._capacity);
        std::swap(_str, tmp._str);
      }
      return *this;
    }
    ~string()
    {
      delete[] _str;
      _str = nullptr;
      _size = _capacity = 0;
    }
    const char* c_str() const
    {
      return _str;
    }
    size_t size() const
    {
      return _size;
    }
    char& operator[](size_t pos)
    {
      assert(pos <= _size);
      return _str[pos];
    }
    const char& operator[](size_t pos) const
    {
      assert(pos <= _size);
      return _str[pos];
    }
    typedef char* iterator;
    typedef const char* const_iterator;
    iterator begin()
    {
      return _str;
    }
    iterator end()
    {
      return _str + _size;
    }
    const_iterator begin() const
    {
      return _str;
    }
    const_iterator end() const
    {
      return _str + _size;
    }
    void reserve(size_t n = 0)
    {
      if (n > _capacity)
      {
        char* tmp = new char[n + 1];
        memcpy(tmp, _str, _size);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
      }
    }
    void push_back(char c)
    {
      if (_capacity == _size)
      {
        //二倍扩容:判断_capacity是否为空
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
      }
      _str[_size] = c;
      ++_size;
      _str[_size] = '\0';
    }
    string& append(const char* s)
    {
      size_t len = strlen(s);
      if (_size + len > _capacity)
      {
        reserve(_size + len);
      }
      memcpy(_str + _size, s, _size + len + 1);
      _size += len;
      return *this;
    }
    string& operator+=(char c)
    {
      push_back(c);
      return *this;
    }
    string& operator+=(const char* str)
    {
      append(str);
      return *this;
    }
    void insert(size_t pos, size_t n, char c)
    {
      assert(pos <= _size);
      if (_size + n > _capacity)
      {
        reserve(_size + n);
      }
      //挪动数据
      size_t end = _size;
      //end不等于npos是为了防止原字符串为空
      while (end >= pos && end != npos)
      {
        _str[end + n] = _str[end];
        --end;
      }
      //添加数据
      for (size_t i = pos; i < n + pos; ++i)
      {
        _str[i] = c;
      }
      _size += n;
    }
    void insert(size_t pos, const char* str)
    {
      assert(pos <= _size);
      size_t len = strlen(str);
      if (_size + len > _capacity)
      {
        reserve(_size + len);
      }
      //挪动数据
      size_t end = _size;
      //end不等于npos是为了防止原字符串为空
      while (end >= pos && end != npos)
      {
        _str[end + len] = _str[end];
        --end;
      }
      //添加数据
      for (size_t i = 0; i < len; ++i)
      {
        _str[i + pos] = str[i];
      }
      _size += len;
    }
    void erase(size_t pos, size_t len = npos)
    {
      assert(pos <= _size);
      if (pos + len >= _size || len == npos)
      {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
      }
      else
      {
        size_t end = pos + len;
        while (end <= _size)
        {
          _str[pos++] = _str[end++];
        }
        _size -= len;
      }
    }
    size_t find(char c, size_t pos = 0)
    {
      assert(pos <= _size);
      for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
      {
        if (_str[i] == c)
        {
          return i;
        }
      }
      return npos;
    }
    string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
    {
      assert(pos <= _size);
      size_t n = len;
      if (pos + len >= _size || len == npos)
      {
        n = _size - pos;
      }
      string tmp;
      reserve(n);
      for (size_t i = 0; i < n; ++i)
      {
        tmp[i] = _str[pos + i];
      }
      return tmp;
    }
    void resize(size_t n, char ch = '\0')
    {
      if (n < _size)
      {
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
      }
      else
      {
        reserve(n);
        for (size_t i = _size; i < n; ++i)
        {
          _str[i] = ch;
        }
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
      }
    }
    void clear()
    {
      _str[0] = '\0';
      _size = 0;
    }
    bool operator<(const string& s)
    {
      size_t i1 = 0;
      size_t i2 = 0;
      while (i1 < _size && i2 << s._size)
      {
        if (_str[i1] < _str[i2])
        {
          return true;
        }
        else if (_str[i1] > _str[i2])
        {
          return false;
        }
        else
        {
          ++i1;
          ++i2;
        }
      }
      //三种情况：
      //"hello" "hello"
      //"helloxxx" "hello"
      //"hello" "helloxxx"
      return (_size >= s._size) ? false : true;
    }
    bool operator==(const string& s)
    {
      return _size == s._size && memcmp(_str, s._str, _size) == 0;
    }
    bool operator!=(const string& s)
    {
      return !(_str == s._str);
    }
    bool operator<=(const string& s)
    {
      return *this < s || *this == s;
    }
    bool operator>(const string& s)
    {
      return !(*this <= s);
    }
    bool operator>=(const string& s)
    {
      return !(*this < s);
    }
  private:
    char* _str;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
  public:
    const static size_t npos;
  };
  const size_t string::npos = -1;
  std::ostream& operator<<(std::ostream& out,const string& s)
  {
    for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
    {
      out << s[i];
    }
    return out;
  }
  std::istream& operator>>(std::istream& in, string& s)
  {
    s.clear();
    char ch;
    ch = in.get();
    while (ch == ' ' || ch == '\n')
    {
      ch = in.get();
    }
    char buff[128] = "\0";
    size_t i = 0;
    while (ch != ' ' && ch != '\n')
    {
      buff[i++] = ch;
      if (i == 127)
      {
        buff[127] = '\0';
        s += buff;
        i = 0;
      }
      ch = in.get();
    }
    if (i != 0)
    {
      buff[i] = '\0';
      s += buff;
    }
    return in;
  }
}

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