【C++】String的语法及常用接口的底层实现详解

迈不过友情╰ 2024-04-22 22:17 74阅读 0赞

> 在C语言中，我们知道处理**字符串所用的类型是 char \[\]或者char\*** 。字符串是以‘\\0’结尾的。在C++中，string 是一个标准库类（class），**用于处理字符串**。它提供了一种更高级、更便捷的字符串操作方式，string 类提供了一系列成员函数和重载运算符，以便于对字符串进行操作和处理。本编文章会对C++中的 string 进行详解，希望本篇文章会对你有所帮助。

> **目录**
> 
> 一、string类
> 
> 二、string的常用见用法
> 
> 2、1 string对象的构造
> 
> 2、1、1 string对象的构造的使用方法
> 
> 2、1、2 string()的底层实现
> 
> 2、1、3 string(const char\* s)的底层实现
> 
> 2、2 string对象的修改操作
> 
> 2、3 string对象的容量操作
> 
> 2、4 string对象的访问和遍历操作
> 
> 三、string常用结构的底层实现
> 
> 3、1 初建结构
> 
> 3、2 返回大小和容量
> 
> 3、3 拷贝构造和赋值重载
> 
> 3、4 扩容（reserve）
> 
> 3、5 插入（push\_back、append、operator+=、insert）
> 
> 3、6 删除（erase）
> 
> 3、7 查找（find）
> 
> 3、8 返回子串（substr）
> 
> 3、9 迭代器（iterator）
> 
> 3、10 比较（>、<、>=、<=、==、！=）
> 
> 四、总结
> 
> --------------------
> 
> **?♂️ 作者：@Ggggggtm ?♂️**
> 
> **? 专栏：C++ ?**
> 
> **? 标题：String讲解?**
> 
>  **❣️ 寄语：与其忙着诉苦，不如低头赶路，奋路前行，终将遇到一番好风景 ❣️**
> 
> ![e3ad9d18377945c08709b5b7c5e812e4.png][]

## 一、string类 ##

> 在学习 string 前，我们不妨先来了解一下 string 类到底是什么，有什么用呢？下图是C++标准库中的对 string 内容：
> 
> ![27f48e2b165e4451b41d1db78fd61e35.png][]
> 
> what？？？没错，C++标准库都是英语解释。我们也应该试着去适应，不懂的可以查阅。当然，在这里我就直接给出翻译，主要是以下内容：
> 
> 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。

> 了解到上面的内容后，我们要开始真正的学习 string 的用法了。

## 二、string的常用见用法 ##

### 2、1 string对象的构造 ###

#### 2、1、1 string对象的构造的使用方法 ####

> 最为常用的无非就是我们用串**string来构造一个对象，也就是存储一个字符**，常用的方法有如下几点：
> 
>  *  **string()——构造空的 string 类对象，即空字符串；**
>  *  **string(const char\* s)——用 char\* 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)——拷贝构造函数**。

> 下面是使用方法所对应的实例，帮助更好的理解其用法。
> 
> ![e29869adba784691a4ecb45fe2520b65.png][]
> 
> 根据上面的实例和对应的输出结果，我们可以更好的理解。

#### 2、1、2 **string()**的底层实现 ####

> 构造空串，其有效字符长度为0，但是实际上是开辟了一个字节的空间存储 ‘\\0’ 的。具体如下：
> 
>     string()
>     		:_str(new char[1])
>     		, _size(0)
>     		,_capacity(0)
>     	{
>     	}

#### 2、1、3 **string(const char\* s)**的底层实现 ####

> 我们这里就给出以上两个底层的构造实现，其余两个类似，就不再给出。具体实现如下：
> 
>     string(const char* str = "") //默认空串。注意：空串是以 \0 结尾
>     		{
>     			_size = strlen(str);
>     			_capacity = _size;
>     			_str = new char[_size + 1];
>     			strcpy(_str, str);
>     		}

### 2、2 string对象的修改操作 ###

> 当我们构建好对象后，我们接下来就要往对应的字符串对象进行修改操作了。常用的修改操作无非就是插入和查找，具体有如下几种常见用法：
> 
>  *  **push\_back——在字符串后尾插字符c；**
>  *  **insert——在pos位置插入n个字符或者插入一个字符串；**
>  *  **append** ——**在字符串后追加一个字符串** ；
>  *  **operator+=——在字符串后追加字符或者字符串str；**
>  *  **c\_str——返回C格式字符串；**
>  *  **find——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。**

> 我们再看其具体的使用方法实例，如下图：
> 
> ![0fed61eed4c546658067766c9246cbf9.png][]
> 
> 上图为常用的修改用法。当然，其他的用法还有很多。如果想了解的过可去C++官网（cppreference）或者 cplusplus 的标准库中查询。具体也可看下图：
> 
> **insert**
> 
> ![655dbe1075fe4d9e8db58de3f734f0a7.png][]
> 
> **operator+=** ![caa391b7099d4c689924270479a63f46.png][]
> 
>  **find** ![6cdcf55bd7134b35a20908203bf3fb53.png][]

### 2、3 string对象的容量操作 ###

> 在平常对字符串的操作中，我们也经常需要去了解到字符串的实际长度为多少，或者改数组到底能够存下多长的字符串，又或是修改字符串的长度和空间大小。C++的string类中，这些操作都提供了相应的接口，具体如下：
> 
>  *  **size——返回字符串有效字符长度；**
>  *  **length——返回字符串有效字符长度** **；**
>  *  **empty——检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false；**
>  *  **reserve——为字符串预留空间；**
>  *  **resize——将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充；**
>  *  **capacity——返回空间总大小；**
>  *  **clear——清空有效字符；**

> 我们发现。size和length的功能一样的。确实都是求字符串的有效长度。那我们接着看其具体的实例：
> 
> ![30e800221adb4e8f9e1c59b3ee0b52f8.png][] 注意：**capacity返回的是空间的总大小**，**size和length返回的是字符串的实际有效长度**。 两者是有所区别的。一个字符串的capacity是有底层的具体实现决定的，不同的编译器可能实现的是不同的。

### 2、4 string对象的访问和遍历操作 ###

> string对象的访问，支持像数组一样使用 \[\] 进行访问，也可通过迭代器进行访问，具体有如下用法：
> 
>  *  **operator\[\]——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；**
>  *  **范围for——C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式。**

> 其具体的用法实例如下：
> 
> ![d117d992f7f14ae7a7793a06ec77ef48.png][]
> 
> 范围for的底层实现就是用迭代器来实现的。写起来更加的便捷和方便。

> 以上为string中较为常用的接口。以上完全足够我们平常的使用了，如果想要了解的更多，可参考C++的标准库。不过string容器一共实现了106个接口！！！其中大部分都是冗余的。这也是很多人吐槽string类实现的过于复杂和冗余的一个重要原因。所以在查看时，我们只需要看自己想要了解的接口即可。

## 三、string常用结构的底层实现 ##

### 3、1 初建结构 ###

> 我们通过上述的构造，不难发现也不难理解string的**底层其实就是一个字符指针，该指针指向一个数组**。当然，我们还需要两个变量来维护其**有效长度(\_size)**和**数组容量(\_capacity)**.

> 其次，我们自己实现的string类为了区分std命名空间，我们可自己设置一个命名空间。处型的模拟实现如下：
> 
>     namespace gtm
>     {
>     
>     	class string
>     	{
>          public:
>             //string()
>     		//	:_str(new char[1])
>     		//	, _size(0)
>     		//	,_capacity(0)
>     		//{
>     		//}
>     
>     		//string(const char* str)
>     		//	:_str(new char[strlen(str) + 1])  //三次strlen函数，效率低。
>     		//	,_size(strlen(str))
>     		//	,_capacity(strlen(str))
>     		//{
>     		//	strcpy(_str, str);
>     		//}
>     
>     		// 不再使用strlen函数，初始化列表与变量声明顺序固定
>     		string(const char* str = "") //默认空串。注意：空串是以 \0 结尾
>     		{
>     			_size = strlen(str);
>     			_capacity = _size;
>     			_str = new char[_size + 1];
>     			strcpy(_str, str);
>     		}
>             ~string()
>     		{
>     			delete[] _str;
>     			_str = nullptr;
>     			_size = _capacity = 0;
>     		}
>          private:
>     		char* _str;
>     		size_t _size;
>     		size_t _capacity;
>     	};
> 
> 注意，我们上述省略了无参的构造。原因是我们在字符串的构造中有缺省参数，即为空串。

### 3、2 返回大小和容量 ###

> 这两个部分，是比较容易实现的两部分。同时也是较为常用的两部分。具体如下：
> 
>     size_t size() const
>     		{
>     			return _size;
>     		}
>     
>     		size_t capacity() const
>     		{
>     			return _capacity;
>     		}

### 3、3 拷贝构造和赋值重载 ###

> 这两部分较为复杂的两部分。其中均需要深拷贝去实现完成，而浅拷贝是不可以的。注意：**拷贝构造使用一个已定义变量去初始化另一个变量，赋值重载是两个已定义变量进行赋值**。
> 
> 具体实现如下：
> 
>     //深拷贝
>     		//string(const string& s)
>     		//	:_str(new char[s._capacity+1])
>     		//	,_size(s._size)
>     		//	,_capacity(s._capacity)
>     		//{
>     		//	strcpy(_str, s._str);
>     		//}
>     
>     		void swap(string& tmp)
>     		{
>     			//调用全局的swap
>     			::swap(_str, tmp._str);
>     			::swap(_size, tmp._size);
>     			::swap(_capacity, tmp._capacity);
>     		}
>     
>     		//借助变量tmp
>     		string(const string& s)
>     			:_str(nullptr) 
>     			, _size(0)
>     			, _capacity(0)
>     		{
>     			string tmp(s._str);
>     			swap(tmp);
>     		}
>     
>     		//赋值
>     		//string& operator=(const string& s)
>     		//{
>     		//	if(this == &s)
>     		//	{
>     		//		return *this;
>     		//	}
>     		//	//先开空间拷贝数据，以防new失败销毁原来的空间
>     		//	char* tmp = new char[s._capacity + 1];
>     		//	strcpy(tmp, s._str);
>     
>     		//	delete[] _str;
>     		//	_str = tmp;
>     		//	_size = s._size;
>     		//	_capacity = s._capacity;
>     		//	return *this;
>     
>     
>     		//	//delete[] _str;
>     		//	//_str = new char[s._capacity + 1];
>     		//	//strcpy(_str, s._str);
>     		//	//_size = s._size;
>     		//	//_capacity = s._capacity;
>     		//	return *this;
>     		//}
>     
>     		//string& operator=(const string& s)
>     		//{
>     		//	if(this == &s)
>     		//	{
>     		//		return *this;
>     		//	}
>     		//	string tmp(s._str);
>     		//	swap(tmp);
>     		//  return *this;
>     		//}
>     
>     		string& operator=(string s)
>     		{
>     			if (this == &s)
>     			{
>     				return *this;
>     			}
>     			swap(s);
>     			return *this;
>     		}
> 
> 上述的辅助重载我们巧妙地借助了临时变量s。当赋值完成后，出了作用域s会自动调用戏后进行销毁，这里是需要反复理解的。

### 3、4 扩容（reserve） ###

> 我们可简单的理解reserve为扩容（扩容的前提为要求的容量比原来的大），但是我们要记得把字符数组中原有的内容拷贝过来，并且释放之前所动态开辟的空间。 具体实现如下：
> 
>     void reserve(size_t capacity)
>     		{
>     			if (capacity > _capacity)
>     			{
>     				char* tmp = new char[capacity + 1];
>     				strcpy(tmp, _str);
>     				delete[] _str;
>     
>     				_str = tmp;
>     				_capacity = capacity;
>     			}
>     		}

### 3、5 插入（push\_back、append、operator+=、insert） ###

> 插入的实现，主要的点就是**是否要进行扩容**。其次，当我们实现push\_back和append后，其他的均可复用这两个结构进行实现。具体实现如下：
> 
>     void push_back(char ch)
>     		{
>     			if (_size == _capacity)
>     			{
>     				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
>     			}
>     
>     			_str[_size] = ch;
>     			_size++;
>     			_str[_size] = '\0';
>     		}
>     
>     		void append(const char* str)
>     		{
>     			size_t len = strlen(str);
>     
>     			if (len + _size > _capacity)
>     			{
>     				reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
>     			}
>     
>     			strcpy(_str + _size, str);
>     			_size += len;
>     		}
>     
>     		void append(const string& s)
>     		{
>     			append(s._str);
>     		}
>     
>     		void append(int n, char ch)
>     		{
>     			reserve(_size + n);
>     			for (int i = 0; i < n; i++)
>     			{
>     				push_back(ch);
>     			}
>     		}
>     		string& operator+= (char ch)
>     		{
>     			push_back(ch);
>     
>     			return *this;
>     		}
>     
>     		string& operator+= (const char* str)
>     		{
>     			append(str);
>     
>     			return *this;
>     		}
>     
>     		string& insert(size_t pos, char ch)
>     		{
>     			assert(pos <= _size);
>     
>     			if (_size == _capacity)
>     			{
>     				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
>     			}
>     			
>     
>     			//注意，当运算数一个是有符号，另一个是无符号时，有符号的运算数会强制类型转换为无符号数。pos等于0的位置插入，end--后为超大数据，会出错。
>     			//int end = _size;
>     			//while (end >= (int)pos)
>     			//{
>     			//	_str[end + 1] = _str[end];
>     			//	end--;
>     			//}
>     
>     			size_t end = _size+1;
>     			while (end > pos)
>     			{
>     				_str[end] = _str[end - 1];
>     				end--;
>     			}
>     
>     			_str[pos] = ch;
>     			_size++;
>     
>     			return *this;
>     		}
>     
>     		string& insert(size_t pos, const char* str)
>     		{
>     			assert(pos <= _size);
>     
>     			size_t len = strlen(str);
>     
>     			if (len + _size > _capacity)
>     			{
>     				reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
>     			}
>     
>     
>     			size_t end = _size + len;
>     			while (end >= pos+len)
>     			{
>     				_str[end] = _str[end - len];
>     				end--;
>     			}
>     
>     			for (int i = pos,j=0; j < len;j++, i++)
>     			{
>     				_str[i] = str[j];
>     			}
>     			_size += len;
>     			return *this;
>     		}

### 3、6 删除（erase） ###

> 我们这里实现的从某个位置开始删除，删除长度为 len 的字符。len有一个缺省参数，为npos（**npos是一个很大的数，也就是不传参给 len 的话，默认删除到最后**）。如果 **len 本就很大，删除的长度超过从pos开始所剩余的长度，那么默认也是pos后的删除完**。那么我们看其具体的实现。
> 
>     void erase(size_t pos, size_t len = npos)
>     		{
>     			assert(pos < _size);
>     			if (len == npos || _size - pos <= len)
>     			{
>     				_str[pos] = '\0';
>     				_size = pos;
>     			}
>     			else
>     			{
>     				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
>     				_size -= len;
>     			}
>     		}

### 3、7 查找（find） ###

> 查找的话，主要常用的就两个：从**pos位置**开始查找，**查找的内容可能是一个字符**，也**可能是一个子串**。如果找到，则返回其下标。没找到就返回npos。具体实现如下：
> 
>     size_t find(char ch, size_t pos = 0)const
>     		{
>     			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
>     			{
>     				if (_str[i] == ch)
>     					return i;
>     			}
>     
>     			return npos;
>     		}
>     
>     		size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)const
>     		{
>     			const char* ret=strstr(_str + pos, sub);
>     			if (ret == nullptr)
>     			{
>     				return npos;
>     			}
>     			else
>     			{
>     				return ret - _str;
>     			}
>     		}

### 3、8 返回子串（substr） ###

> 返子串也是我们经常需要的一个接口。返回子串就一个接口，从某个位置开始查找，查找长度为 len 的字符。len有一个缺省参数，为npos（**npos是一个很大的数，也就是不传参给 len 的话，默认返回到最后**）。如果 **len 本就很大，返回子串的长度超过从pos开始所剩余的长度，那么默认也是pos后的子串全部返回**。我们看其具体实现：
> 
>     string  substr(size_t pos, size_t len = npos)const
>     		{
>     			assert(pos < _size);
>     			size_t realLen = len;
>     			if (len == npos || pos + len > _size)
>     			{
>     				realLen = _size - pos;
>     			}
>     
>     			string s;
>     			for (size_t i = 0; i < realLen; i++)
>     			{
>     				s += _str[pos + i];
>     			}
>     
>     			return s;
>     		}

### 3、9 迭代器（iterator） ###

> 在**string中的迭代器底层就是指针**，但是**并不是所有的迭代器底层实现都是指针**！我们直接看起底层实现：
> 
>     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;
>     		}
> 
> 这里的**begin（）就是返回的字符串的首元素地址**，**end（）返回的是字符串最后一个元素的后一个地址**！

### 3、10 比较（>、<、>=、<=、==、！=） ###

> 字符串的比较并非比较其长度，而是与其**相同位置字符的大小有关**，也就是我们所说的**字典序**。我们这里只需要实现其中的两个，其他均可复用。具体如下：
> 
>     bool operator> (const string& s) const
>     		{
>     			return strcmp(_str, s._str) > 0;
>     		}
>     		bool operator== (const string& s) const
>     		{
>     			return strcmp(_str, s._str) == 0;
>     		}
>     		bool operator>= (const string& s) const
>     		{
>     			return *this > s || *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 !(*this == s);
>     		}

## 四、总结 ##

> string 在C++中算是比较重要的了，也是入门时必须所学的容器。在平常中使用的频率较高，所以我们不仅要掌握其简单的用法，更应该去了解其底层的实现。这有助于我们后续的使用和理解。本篇文章列举出了string中常用的语法和接口底层的底层实现，这些都是我们应该熟练掌握的内容。
> 
> 本篇文章讲解就到这里，感谢观看ovo~

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