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【c++丨STL】string模拟实现（附源码）

2024-11-27 74
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简介： 本文详细介绍了如何模拟实现C++ STL中的`string`类，包括其构造函数、拷贝构造、赋值重载、析构函数等基本功能，以及字符串的插入、删除、查找、比较等操作。文章还展示了如何实现输入输出流操作符，使自定义的`string`类能够方便地与`cin`和`cout`配合使用。通过这些实现，读者不仅能加深对`string`类的理解，还能提升对C++编程技巧的掌握。

前言

       之前我们学习了STL的第一个容器--string及其常用接口的使用方法，不过仅仅掌握使用方法还不够，面试当中常常会让我们模拟实现STL的某个容器的关键框架。所以今天我们深入string底层，用我们的功底来模拟实现一个简单的string类。


       本篇博客我们不会将string的所有接口原模原样地实现出来，而是根据string的逻辑，模拟实现一些重点接口函数。


一、头文件（成员变量与函数声明）

       头文件中的内容是类成员以及我们将要实现的接口声明，代码如下：

#pragma once
#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cassert>
#include <cstring>
using namespace std;
 
class String
{
public:
    //迭代器定义
    typedef char* iterator;
    typedef const char* const_iterator;
 
    //迭代器接口
    iterator begin();
    iterator end();
    const_iterator begin() const;
    const_iterator end() const;
 
    //常量成员
    static size_t npos;
 
    //全缺省构造
    String(const char* str = "");
 
    //拷贝构造
    String(const String& str);
 
    //赋值重载
    String& operator=(String s);
 
    //析构
    ~String();
 
    //获取只读字符串
    const char* c_str() const;
 
    //交换两字符串
    void swap(String& s);
 
    //清除字符串
    void clear();
 
    //容量接口
    size_t size() const;
    size_t capacity() const;
 
    //增容
    void reserve(size_t n);
 
    //下标引用重载
    char& operator[](size_t i);
    const char& operator[](size_t i) const;
 
    //插入
    void insert(size_t pos, char c);
    void insert(size_t pos, const char* str);
    void push_back(char c);
    void append(const char* str);
    String& operator+=(char c);
    String& operator+=(const char* str);
 
    //删除
    void erase(size_t pos, size_t len = npos);
 
    //查找
    size_t find(char c, size_t pos = 0);
    size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
 
    //构造子串
    String substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const;
private:
    char* _str;//起始指针
    size_t _size;//字符串长度
    size_t _capacity;//空间大小
};
 
//compare
bool operator<(const String& l, const String& r);
bool operator>(const String& l, const String& r);
bool operator<=(const String& l, const String& r);
bool operator>=(const String& l, const String& r);
bool operator==(const String& l, const String& r);
bool operator!=(const String& l, const String& r);
 
//输入输出
ostream& operator<<(ostream& out, const String& str);
istream& operator>>(istream& in, String& str);
istream& getline(istream& in, String& str, char delim = '\n');
 
//交换两字符串--非成员函数版
void swap(String& s1, String& s2);


二、源文件（功能实现）

       对于上述声明的函数，我们会一一进行实现并分析代码。首先从交换函数开始：


交换两字符串

       之前我们就了解到string类中有两个交换函数，一个重载为成员函数，另一个是非成员函数。我们就将二者都实现一下：

//交换两字符串
void String::swap(String& s)
{
    std::swap(_str, s._str);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}
 
//交换两字符串--非成员函数版
void swap(String& s1, String& s2)
{
    s1.swap(s2);
}

交换函数非常简单，虽然两对象都有各自所维护的内存，但是我们只需要调用标准库中的交换函数交换两指针的指向即可。然后将_size和_capacity也交换一下。



对于非成员函数般的交换函数，直接调用成员函数即可。


为什么先要实现交换函数呢？待会我们实现默认成员函数时，你自然能体会到它的妙用。


构造函数

//全缺省构造
String::String(const char* str)
    :_size(strlen(str))
{
    _str = new char[_size + 1] {'\0'};
    _capacity = _size;
    strcpy(_str, str);
}

在构造函数当中，我们首先将元素个数调整为等同于str长度的值，便于将字符串中的内容拷贝给新对象，然后在起始指针处动态开辟内存（注意大小是_size + 1，因为最后一个位置存放 '\0' ）。注意我们_capacity的大小是不包含 '\0' 的，但实际开辟的内存大小要大于它。最后，将str中的数据拷贝给_str就好。不传参时，str的内容默认设置为空字符串。



拷贝构造

//拷贝构造
String::String(const String& s)
{
    _str = new char[s._capacity + 1] {'\0'};
    strcpy(_str, s._str);
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}

与构造函数的逻辑相同，先开辟空间，然后拷贝数据即可。不过这是传统写法，还有一个现代写法：

//拷贝构造 现代写法
String::String(const String& s)
{
    String tmp(s._str);
    swap(tmp);
}

仔细观察就会发现，这种写法非常巧妙：首先我们用s中的字符串构造临时对象tmp，然后用swap交换tmp与新对象的内容，这样就很轻松地完成了拷贝构造。



赋值重载

       与拷贝构造类似，赋值重载也有传统写法和现代写法：

//赋值重载 传统写法
String& String::operator=(const String& s)
{
    if (this != &s)//若是自己给自己赋值，就什么都不做
    {
        delete[] _str;
        _str = new char[s._capacity + 1] {'\0'};
        strcpy(_str, s._str);
        _size = s._size;
        _capacity = s._capacity;
    }
    return *this;//可以支持连续赋值
}
//赋值重载 现代写法
String& String::operator=(String s)
{
    swap(s);
    return *this;
}

在传统写法当中，我们老老实实地销毁原字符串，然后重新开辟空间，再将新字符串拷贝过来...非常麻烦。现代写法当中，我们使用传值传参，构造一份相同的对象s，然后直接交换s与this对象，this对象就被成功赋值，并且等号右边的对象也没有被改动。


析构函数

       由于我们的字符串是动态开辟的，所以就要显示写析构函数，在对象销毁时释放这些内存：

//析构
String::~String()
{
    delete[] _str;
    _str = nullptr;//及时制空
    _size = _capacity = 0;
}

这里不必多说，写法和c语言实现的顺序表没什么区别。接下来我们开始正式实现常量成员nops和一些比较常用的接口。


常量成员npos

常量成员定义如下：

//常量成员
size_t String::npos = -1;

常量成员用无符号整数的-1来表示，是size_t的最大值，它作为一些接口的缺省参数，用于表示“直到字符串结束”。


获取只读字符串

//获取只读字符串
const char* String::c_str() const
{
    return _str;
}

获取只读字符串时，直接返回字符串起始指针即可。注意返回值被const修饰，该字符串不能被外部修改。


清除字符串

//清除字符串
void String::clear()
{
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}

清除字符串时，只需将第一个字符设为 '\0' ，然后调整长度为0即可，无需调整空间容量。


容量接口

       容量接口便于用户访问字符串的长度或空间容量。

//容量接口
size_t String::size() const
{
    return _size;
}
size_t String::capacity() const
{
    return _capacity;
}

增容

//增容
void String::reserve(size_t n)
{
    if (n > _capacity)//当需要空间大于原有容量时，才需要增容
    {
        char* tmp = new char[n + 1] {'\0'};
        strcpy(tmp, _str);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}

reserve的作用是为字符串预留空间，单位是字节，注意：当参数n的值小于已有空间的总大小时，不会改变其大小。当我们实现增容时，首先需要开辟一块n + 1字节的内存空间（最后位置放 '\0' ），然后将数据拷贝到新空间，再释放原来的空间。



       接下来，我们开始实现字符串元素访问与遍历相关操作。首先从下标引用开始：


下标引用重载

//下标引用重载
char& String::operator[](size_t i)
{
    assert(i < _size);//防止越界
    return _str[i];
}
const char& String::operator[](size_t i) const
{
    assert(i < _size);
    return _str[i];
}

注意：为了确保用户能够修改字符串的内容，函数返回值是字符的引用。对于const对象，内容不能修改，则返回const引用。


迭代器

       之前已经提到过，现阶段我们可以将迭代器理解成一种指针，通过解引用来访问数据元素。我们定义String类时，使用指针来模拟迭代器。迭代器定义如下：

//迭代器定义
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
//迭代器接口
String::iterator String::begin()
{
    return _str;
}
String::iterator String::end()
{
    return _str + _size;
}
String::const_iterator String::begin() const
{
    return _str;
}
String::const_iterator String::end() const
{
    return _str + _size;
}


注意：我们实现的迭代器接口函数名只有和STL保持一致，才可以支持范围for。


让我们使用一下自己的迭代器：

int main()
{
    String str = "hello world";
 
    //迭代器遍历
    for (auto it = str.begin(); it != str.end(); it++)
    {
        cout << *it << ' ';
    }
    cout << endl;
 
    //范围for
    for (auto e : str)
    {
        cout << e << ' ';
    }
    cout << endl;
    return 0;
}



字符串插入和删除操作

       接下来，我们开始实现string字符串的插入和删除操作。


insert

       insert支持指定位置的插入操作，我们首先实现它，后续实现其他插入删除操作时就可以直接调用该接口。代码如下：

//插入
void String::insert(size_t pos, char c)//插入字符
{
    assert(pos < _size);//防止越界
    if (_size == _capacity)//空间不够则增容
    {
        //调用增容函数
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);//初始设置为4，后续二倍开辟
    }
 
    //pos之后的字符全部右移一位
    size_t end = _size + 1;
    while (end > pos)
    {
        _str[end] = _str[end - 1];
        end--;
    }
    _str[pos] = c;
    _size++;
}
void String::insert(size_t pos, const char* str)//插入字符串
{
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity)//空间不够，增容
    {
        //先扩2倍，若还不够，则设置为等同于总长度的大小
        size_t newcapacity = _capacity * 2;
        if (newcapacity < _size + len)
        {
            newcapacity = _size + len;
        }
        reserve(newcapacity);
    }
 
    //pos之后的字符全部右移len位
    size_t end = _size + len;
    while (end > pos + len - 1)
    {
        _str[end] = _str[end - len];
        end--;
    }
    for (size_t i = 0; i < len; i++)
    {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
    _size += len;
}


第一个函数实现的是字符的插入，第二个是字符串的插入。实现思路类似于顺序表指定位置的插入，这里不再赘述。接下来实现剩余的插入接口：


push_back、append、operator+=

void String::push_back(char c)
{
    insert(_size, c);
}
void String::append(const char* str)
{
    insert(_size, str);
}
String& String::operator+=(char c)
{
    insert(_size, c);
    return *this;
}
String& String::operator+=(const char* str)
{
    insert(_size, str);
    return *this;
}


这三个函数的功能是尾插字符或字符串，直接调用我们刚才实现的insert就可以实现。


erase

       erase支持指定位置的删除操作，代码如下：


//删除
void String::erase(size_t pos, size_t len)
{
    assert(pos < _size);
    if (pos + len >= _size)//删除的字符个数超出了现有个数，则直接删除pos后的所有字符
    {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    }
    else
    {
        //(pos + len)之后的元素全体左移len位
        size_t end = pos + len;
        while (end <= _size)
        {
            _str[end - len] = _str[end];
            end++;
        }
        _size -= len;
    }
}


这里的逻辑与顺序表指定位置删除类似，不再多说。


查找

       接下来，我们实现查找功能find：

//查找
size_t String::find(char c, size_t pos)//从pos位置开始查找
{
    assert(pos < _size);
    for (size_t i = 0; i < _size; i++)
    {
        if (_str[i] == c) 
        {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}
size_t String::find(const char* str, size_t pos)
{
    assert(pos < _size);
    const char* p = strstr(_str + pos, str);//调用strstr查找子串
    if (p == nullptr)//没找到
    {
        return npos;
    }
    return p - str;//返回两指针相对位置
}


查找可分为字符查找和字符串查找，其中字符串查找调用strstr函数即可，注意返回值细节处理。


构造子串

       substr可以构造一个string类，内容是原字符串中pos位置开始的len个字符组成的子串。代码如下：

//构造子串
String String::substr(size_t pos = 0, size_t len) const
{
    assert(pos < _size);
    if (len > (_size - pos))//超出字符串范围，则默认取到尾
    {
        len = _size - pos;
    }
    String sub;
    for (size_t i = pos; i < len; i++)//循环尾插
    {
        sub += _str[pos + i];
    }
    return sub;
}

compare

       compare指的是一些字符串之间的比较函数，属于非成员函数，实现方法也很简单：

//compare
bool operator<(const String& l, const String& r)
{
    return strcmp(l.c_str(), r.c_str()) < 0;//调用strcmp比较
}
bool operator>(const String& l, const String& r)
{
    return !(l < r);
}
bool operator<=(const String& l, const String& r)
{
    return (l == r || l < r);
}
bool operator>=(const String& l, const String& r)
{
    return (l == r || l > r);
}
bool operator==(const String& l, const String& r)
{
    return strcmp(l.c_str(), r.c_str()) == 0;
}
bool operator!=(const String& l, const String& r)
{
    return !(l == r);
}


输入和输出

       最后要实现的就是输入和输出。它们可以让我们直接配合cin和cout去操作我们自己的string类。 注意这里的细节处理：

//输入输出
ostream& operator<<(ostream& out, const String& str)
{
    for (auto ch : str)//遍历打印每一个字符
    {
        out << ch;
    }
    return out;//支持连续输出
}
istream& operator>>(istream& in, String& str)
{
    str.clear();//先清除原字符串
    char ch = in.get();//使用get函数读取单个字符
    while (ch != ' ' && ch != '\n')//读取到空格或换行就停止
    {
        str += ch;
        ch = in.get();
    }
    return in;//支持连续输入
}

接下来我们再实现一个自定义读取结束符的getline函数：

istream& getline(istream& in, String& str, char delim)
{
    str.clear();
    char ch = in.get();
    while (ch != delim)
    {
        str += ch;
        ch = in.get();
    }
    return in;
}

三、程序全部代码

       我们模拟实现string类的全部代码如下：

#include <iostream>
#include <algorithm>
#include <cassert>
#include <cstring>
using namespace std;
 
class String
{
public:
    //迭代器定义
    typedef char* iterator;
    typedef const char* const_iterator;
 
    //迭代器接口
    iterator begin();
    iterator end();
    const_iterator begin() const;
    const_iterator end() const;
 
    //常量成员
    static size_t npos;
 
    //全缺省构造
    String(const char* str = "");
 
    //拷贝构造
    String(const String& str);
 
    //赋值重载
    String& operator=(String s);
 
    //析构
    ~String();
 
    //获取只读字符串
    const char* c_str() const;
 
    //交换两字符串
    void swap(String& s);
 
    //清除字符串
    void clear();
 
    //容量接口
    size_t size() const;
    size_t capacity() const;
 
    //增容
    void reserve(size_t n);
 
    //下标引用重载
    char& operator[](size_t i);
    const char& operator[](size_t i) const;
 
    //插入
    void insert(size_t pos, char c);
    void insert(size_t pos, const char* str);
    void push_back(char c);
    void append(const char* str);
    String& operator+=(char c);
    String& operator+=(const char* str);
 
    //删除
    void erase(size_t pos, size_t len = npos);
 
    //查找
    size_t find(char c, size_t pos = 0);
    size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
 
    //构造子串
    String substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const;
private:
    char* _str;
    size_t _size;
    size_t _capacity;
};
 
//compare
bool operator<(const String& l, const String& r);
bool operator>(const String& l, const String& r);
bool operator<=(const String& l, const String& r);
bool operator>=(const String& l, const String& r);
bool operator==(const String& l, const String& r);
bool operator!=(const String& l, const String& r);
 
//输入输出
ostream& operator<<(ostream& out, const String& str);
istream& operator>>(istream& in, String& str);
istream& getline(istream& in, String& str, char delim = '\n');
 
//交换两字符串--非成员函数版
void swap(String& s1, String& s2);
 
//交换两字符串
void String::swap(String& s)
{
    std::swap(_str, s._str);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}
 
//交换两字符串--非成员函数版
void swap(String& s1, String& s2)
{
    s1.swap(s2);
}
 
//全缺省构造
String::String(const char* str)
    :_size(strlen(str))
{
    _str = new char[_size + 1] {'\0'};
    _capacity = _size;
    strcpy(_str, str);
}
 
拷贝构造 传统写法
//String::String(const String& s)
//{
//  _str = new char[s._capacity + 1] {'\0'};
//  strcpy(_str, s._str);
//  _size = s._size;
//  _capacity = s._capacity;
//}
 
//拷贝构造 现代写法
String::String(const String& s)
{
    String tmp(s._str);
    swap(tmp);
}
 
赋值重载 传统写法
//String& String::operator=(const String& s)
//{
//  if (this != &s)//若是自己给自己赋值，就什么都不做
//  {
//      delete[] _str;
//      _str = new char[s._capacity + 1] {'\0'};
//      strcpy(_str, s._str);
//      _size = s._size;
//      _capacity = s._capacity;
//  }
//  return *this;
//}
 
//赋值重载 现代写法
String& String::operator=(String s)
{
    swap(s);
    return *this;
}
 
//析构
String::~String()
{
    delete[] _str;
    _str = nullptr;//及时制空
    _size = _capacity = 0;
}
 
//常量成员
size_t String::npos = -1;
 
//获取只读字符串
const char* String::c_str() const
{
    return _str;
}
 
//清除字符串
void String::clear()
{
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}
 
//容量接口
size_t String::size() const
{
    return _size;
}
size_t String::capacity() const
{
    return _capacity;
}
 
//增容
void String::reserve(size_t n)
{
    if (n > _capacity)//当需要空间大于原有容量时，才需要增容
    {
        char* tmp = new char[n + 1] {'\0'};
        strcpy(tmp, _str);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}
 
//下标引用重载
char& String::operator[](size_t i)
{
    assert(i < _size);//防止越界
    return _str[i];
}
const char& String::operator[](size_t i) const
{
    assert(i < _size);
    return _str[i];
}
 
//迭代器接口
String::iterator String::begin()
{
    return _str;
}
String::iterator String::end()
{
    return _str + _size;
}
String::const_iterator String::begin() const
{
    return _str;
}
String::const_iterator String::end() const
{
    return _str + _size;
}
 
//插入
void String::insert(size_t pos, char c)//插入字符
{
    assert(pos < _size);//防止越界
    if (_size == _capacity)//空间不够则增容
    {
        //调用增容函数
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);//初始设置为4，后续二倍开辟
    }
 
    //pos之后的字符全部右移一位
    size_t end = _size + 1;
    while (end > pos)
    {
        _str[end] = _str[end - 1];
        end--;
    }
    _str[pos] = c;
    _size++;
}
void String::insert(size_t pos, const char* str)//插入字符串
{
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity)//空间不够，增容
    {
        //先扩2倍，若还不够，则设置为等同于总长度的大小
        size_t newcapacity = _capacity * 2;
        if (newcapacity < _size + len)
        {
            newcapacity = _size + len;
        }
        reserve(newcapacity);
    }
 
    //pos之后的字符全部右移len位
    size_t end = _size + len;
    while (end > pos + len - 1)
    {
        _str[end] = _str[end - len];
        end--;
    }
    for (size_t i = 0; i < len; i++)
    {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
    _size += len;
}
void String::push_back(char c)
{
    insert(_size, c);
}
void String::append(const char* str)
{
    insert(_size, str);
}
String& String::operator+=(char c)
{
    insert(_size, c);
    return *this;
}
String& String::operator+=(const char* str)
{
    insert(_size, str);
    return *this;
}
 
//删除
void String::erase(size_t pos, size_t len)
{
    assert(pos < _size);
    if (pos + len >= _size)//删除的字符个数超出了现有个数，则直接删除pos后的所有字符
    {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    }
    else
    {
        //(pos + len)之后的元素全体左移len位
        size_t end = pos + len;
        while (end <= _size)
        {
            _str[end - len] = _str[end];
            end++;
        }
        _size -= len;
    }
}
 
//查找
size_t String::find(char c, size_t pos)//从pos位置开始查找
{
    assert(pos < _size);
    for (size_t i = 0; i < _size; i++)
    {
        if (_str[i] == c) 
        {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}
size_t String::find(const char* str, size_t pos)
{
    assert(pos < _size);
    const char* p = strstr(_str + pos, str);//调用strstr查找子串
    if (p == nullptr)//没找到
    {
        return npos;
    }
    return p - str;//返回两指针相对位置
}
 
//构造子串
String String::substr(size_t pos = 0, size_t len) const
{
    assert(pos < _size);
    if (len > (_size - pos))//超出字符串范围，则默认取到尾
    {
        len = _size - pos;
    }
    String sub;
    for (size_t i = pos; i < len; i++)//循环尾插
    {
        sub += _str[pos + i];
    }
    return sub;
}
 
//compare
bool operator<(const String& l, const String& r)
{
    return strcmp(l.c_str(), r.c_str()) < 0;//调用strcmp比较
}
bool operator>(const String& l, const String& r)
{
    return !(l < r);
}
bool operator<=(const String& l, const String& r)
{
    return (l == r || l < r);
}
bool operator>=(const String& l, const String& r)
{
    return (l == r || l > r);
}
bool operator==(const String& l, const String& r)
{
    return strcmp(l.c_str(), r.c_str()) == 0;
}
bool operator!=(const String& l, const String& r)
{
    return !(l == r);
}
 
//输入输出
ostream& operator<<(ostream& out, const String& str)
{
    for (auto ch : str)//遍历打印每一个字符
    {
        out << ch;
    }
    return out;//支持连续输出
}
istream& operator>>(istream& in, String& str)
{
    str.clear();//先清除原字符串
    char ch = in.get();//使用get函数读取单个字符
    while (ch != ' ' && ch != '\n')//读取到空格或换行就停止
    {
        str += ch;
        ch = in.get();
    }
    return in;//支持连续输入
}
istream& getline(istream& in, String& str, char delim)
{
    str.clear();
    char ch = in.get();
    while (ch != delim)
    {
        str += ch;
        ch = in.get();
    }
    return in;
}

总结

       今天，我们在学会使用string类的基础上模拟实现了string类的常用功能，这对于我们学习数据结构和string类有很大帮助。之后博主会和大家一起进入下一个容器——vector的学习。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤

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C++
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C++ stl
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