C++心决之stl中那些你不知道的秘密(string篇)_业界新闻

发布时间:2024-07-20 06:54

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1. 为什么学习string类？

1.1 C语言中的字符串

C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

2. 标准库中的string类

2.1 string类

https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

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)。
5. 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;

2.2 string类的常用接口说明

1. string类对象的常见构造

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类对象的操作

PS:
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。

3.vs和g++下string结构的说明

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
指向堆空间的指针，用来存储字符串。
struct _Rep_base {  size_type _M_length;  size_type _M_capacity;  _Atomic_word _M_refcount; };

3. string类的模拟实现

PS: string类在自己实现的时候一定要注意浅拷贝问题

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。

3.2 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。

3.3 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

3.4 写时拷贝

写时拷贝就是一种拖延症，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。https://coolshell.cn/articles/12199.htmlhttps://coolshell.cn/articles/1443.html

3.5 string类的模拟实现

//string.h #pragma once #include<iostream> #include<assert.h> using namespace std; namespace mystr { 	class string 	{ 	public: 		//迭代器, 因为字符串底层内存连续, 所以可以简单的定义成指针 		typedef char* iterator; 		typedef const char* const_iterator; 		//配合范围for循环 		iterator begin() { return _str; } 		iterator end() { return _str + _size; } 		//兼容常量字符串 		const_iterator begin() const { return _str; } 		const_iterator end() const { return _str + _size; } 		//string(); 		string(const char* str = ""); 		string(const string& s); 		string& operator=(string temp) { swap(temp); return *this; } 		~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = _capacity = 0; } 		//返回C语言字符数组 		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]; } 		//重置大小 		void reserve(size_t n);  		void push_back(char ch) { insert(_size, ch); } 		void append(const char* str) { insert(_size, str); }  		string& operator+=(char ch) { insert(_size, ch); return *this; } 		string& operator+=(const char* str) { insert(_size, str); return *this; };  		void insert(size_t pos, char ch); 		void insert(size_t pos, const char* str); 		void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos);  		size_t find(char ch, size_t pos = 0) { 			for (size_t i = pos; i < _size; i++) if (_str[i] == ch) return i; 			return npos; 		} 		size_t find(const char* str, size_t pos = 0) { return strstr(_str + pos, str) - _str; }  		void swap(string& s); 		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);  		bool operator<(const string& s) const { return strcmp(_str, s._str) < 0; } 		bool operator>(const string& s) const { return !(*this <= s); } 		bool operator<=(const string& s) const { return !(*this > s); } 		bool operator>=(const string& s) const { return !(*this < s); } 		bool operator==(const string& s) const {return strcmp(_str, s._str) == 0; } 		bool operator!=(const string& s) const { return !(*this == s); } 		void clear() { _str[0] = '\0'; _size = 0; }   	private: 		char* _str; 		size_t _size; 		size_t _capacity; 		//一般static变量的定义要放在类外, 整型是特例 		const static size_t npos = -1; 	}; 	void swap(string& s1, string& s2); 	istream& operator>>(istream& ci, string& s); 	ostream& operator<<(ostream& co, string& s); }

//string.cpp #include "string.h" namespace mystr { 	string::string(const char* str):_size(strlen(str)) { 		_str = new char[_size + 1]; 		_capacity = _size; 		strcpy(_str, str); 	} 	string::string(const string& s) { 		string temp(s._str); 		swap(temp); 	} 	void string::reserve(size_t n) { 		if (_capacity < n) { 			char* temp = new char[n + 1]; 			strcpy(temp, _str); 			delete[] _str; 			_str = temp; 			_capacity = n; 		} 	} 	void string::insert(size_t pos, char ch) { 		assert(pos <= _size); 		if (_size == _capacity) { 			size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity; 			reserve(newcapacity); 		} 		size_t end = _size + 1; 		while (end > pos) _str[end] = _str[end - 1], --end; 		_str[pos] = ch; 		_size++; 	} 	void string::insert(size_t pos, const char* str) { 		assert(pos <= _size); 		size_t len = strlen(str); 		if (_size + len > _capacity) reserve(_size + len); 		size_t end = _size + len; 		while (end > pos + len - 1) _str[end] = _str[end - len], --end; 		memcpy(_str + pos, str, len); 		_size += len; 	} 	void string::erase(size_t pos, size_t len) { 		if (len > _size - pos) _str[pos] = '\0', _size = pos; 		else strcpy(_str + pos, _str + pos + len), _size -= len; 	} 	void string::swap(string& s) { 		char* temp = _str; 		_str = s._str; 		s._str = temp; 		std::swap(_size, s._size); 	} 	string string::substr(size_t pos, size_t len) { 		if (len > _size - pos) { string sub(_str + pos); return sub; } 		else { 			string sub; 			sub.reserve(len); 			for (size_t i = pos; i < pos + len; i++) sub += _str[i]; 			return sub; 		} 	} 	void swap(string& s1, string& s2){ s1.swap(s2); } 	istream& operator>>(istream& ci, string& s) { 		s.clear(); 		char ch = ci.get(); 		while (ch != ' ' && ch != '\n') s += ch, ch = ci.get(); 		return ci; 	} 	ostream& operator<<(ostream& co, string& s) { 		for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) co << s[i]; 		return co; 	} }

//test.cpp #include "string.h" namespace mystr { 	void test1() { 		string s1 = "1111"; 		string s2 = s1; 		cout << s1.c_str() << endl << s2.c_str() << endl; 		cout << s1.size() << endl; 	} 	void test2() { 		string s1 = "111"; 		string s2 = "222222"; 		s1 = s2; 		cout << s1.c_str() << endl; 	} 	void test3() { 		string s1 = "111222333"; 		for (auto& i : s1) i += 3; 		cout << s1.c_str() << endl; 		const string s2 = "111222333"; 		for (auto& i : s2) cout << i; 		cout << endl; 		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++) cout << (s1[i] += 2); 		cout << endl; 	} 	void test4() { 		string s1 = "sadfsf"; 		s1.insert(2, '-'); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.insert(0, '-'); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.insert(2, "11111"); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.insert(0, "222222"); 		cout << s1.c_str() << endl; 	} 	void test5() { 		string s1 = "asgfidsgf"; 		s1.push_back('-'); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.append("====="); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1 += 'w'; 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1 += "0000"; 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.erase(10); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.erase(7, 100); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.erase(3, 2); 		cout << s1.c_str() << endl; 		s1.erase(0); 		cout << s1.c_str() << endl; 	} 	void test6() { 		string s1 = "ksjfghks"; 		cout << s1.find('h', 2) << endl; 		cout << s1.find("ghk", 2) << endl; 		cout << s1.find("ghksgs", 2) << endl; 	} 	void test7(){ 		string s1 = "sggsdsdf"; 		string s2 = "sdgfrgdb"; 		cout << s1.c_str() << endl; 		cout << s2.c_str() << endl; 		swap(s1, s2); 		cout << s1.c_str() << endl; 		cout << s2.c_str() << endl; 		s1.swap(s2); 		cout << s1.c_str() << endl; 		cout << s2.c_str() << endl; 		string s3 = s1.substr(2, 5); 		cout << s3.c_str() << endl; 	} 	void test8() { 		string s1, s2; 		cin >> s1 >> s2; 		cout << s1 << endl << s2 << endl; 	} } int main() { 	mystr::test8(); 	return 0; }