string模拟实现：

深藏阁楼爱情的钟 2024-04-25 20:20 59阅读 0赞

## string模拟实现： ##

![在这里插入图片描述][fd612d6fdbf645acaca66297e5951116.png_pic_center]

![img][]上一篇博客，我们对String类有了一个基本的认识，本篇博客我们来从0~1去模拟实现一个String类，当然我们实现的都是一些常用的接口。

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❓我们这里定义了一个string类型，然后STL标准库里面也有string，两个名字一样我们分不清楚怎么办呢？

*  为了跟库的string区分开，我们可以定义一下命名空间

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

--------------------

有了类的成员变量，我们需要对这些成员变量进行初始化和释放，我们来写一下string的构造函数和析构函数

首先来观察一下string类的成员变量，string类有三个成员变量\_str(字符指针)、\_\_size和 \_capacity。

\_size和 \_capacity都比较容易初始化，直接置为0就好。

\_str作为字符指针比较麻烦，具体的原因往下看！

### 1深浅拷贝： ###

我们来写一下我们自己string类的构造和析构函数

>     class string
>     	{
>          
>     	public:
>         string(const char* str)
>     			:_str(str)
>                 ,_size(str._size)
>     			, _capacity(str._capacity)
>                 {
>          }
>         private:
>     		char* _str;
>     		size_t _size;
>     		size_t _capacity;
>     }
> 
> ❓上面这种构造函数我们调用的时候是否能编译通过呢？
> 
> ?这是不行的，因为你初始化这个 string 时，比如我们通常情况会这么写：`string s1("hello world");`
> 
> ❓我们为string的初始化提供构造函数，这里为什么报错呢？
> 
> ![image-20230527162645015][]
> 
> ?原因是这里权限放大了，str是一个const char \**类型，而\_str只是一个char* \* *类型，这里赋值过来会直接权限放大报错了，同理可得：常量字符串是不可以直接赋值给char* \*类型的(`char*b="bcd";`)
> 
> 解决方法将\_str也设为const char\*就好啦

*  ?`const char*`类型这里是只允许读，不允许写的

但是我们写的String类需要有增删查改的功能，因此上述的写法不可以的

我们可以这样写：

string(const char* str)
        : _str(new char[strlen(str) + 1]) {
            // 开strlen大小的空间
        strcpy(_str, str);
    }

*  ?strlen函数是计算字符串的有效长度，是不含`\0`的！！！！！

我们这里strlen+1是为了给字符串的`\0`预先留一个位置的

析构函数：

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

拷贝构造函数：

void TestString()
    {
        
    	String s1("hello xiaolu!!!");
    	String s2(s1);
    }

我们来运行一下，通过s1来拷贝构造s2

> ? 运行结果如下：

![image-20230527165906710][]

❓这里显示strcpy是unsafe（不安全的）的，这是为什么呢？如何解决呢？（当前完整代码如下）

#include<string.h>
    namespace xiaolu
    {
        
    	class string
    	{
        
    	public:
    		string(const char* str)
    			: _str(new char[strlen(str) + 1])
    		{
            // 开strlen大小的空间
    			strcpy(_str, str);
    		}
    		~string()
    		{
        
    			delete[] _str;
    			_str = nullptr;
    			_size = _capacity = 0;
    		}
    	private:
    		char* _str;
    		size_t _size;
    		size_t _capacity;
    	};
    	void TestString()
    	{
        
    		string s1("hello xiaolu!!!");
    		string s2(s1);
    	}
    }
    int main()
    {
        
    	xiaolu::TestString();
    	return 0;
    }

?详细解析：

首先我们先来了解一下strcpy函数，strcpy函数是一个值拷贝函数，她将hello xiaolu的字符一个一个按字节拷贝到s1

这里其实不是strcpy函数的问题，而是

当`string s2(s1);`这里是发生拷贝构造，而这里我没有写拷贝构造，因此编译器调用的就是默认拷贝构造，也就是浅拷贝，因为\_str是char\*类型，它发生值拷贝将地址直接拷贝过去，因此s1和s2指向同一块地址

![image-20230530171211065][]

解决方法：我们这里写一个拷贝构造，来进行深拷贝！

因为这里涉及到深浅拷贝的问题，因此我们来探讨一下深浅拷贝:

#### 深浅拷贝的区别： ####

简单来说：

*  ?浅拷贝就是编译器自己执行值拷贝（按照字节，一个一个字节拷贝）

![image-20230601110201130][]举个例子

当发生拷贝的是指针，编译器会将指针的4个字节依次拷贝另外一个变量，这样会导致两个变量指向一个地址，而当delete的时候，这一块地址会被释放两次地址，就会报错了！！！

![image-20230601111605745][]

当一个类有动态内存的时候，类的拷贝有构造函数、赋值运算符重载以及析构函数基本上不可以用浅拷贝，会出现上面的问题，要用到深拷贝。

*  ?深拷贝：深拷贝就是让编译器按照我们的想法进行拷贝或者赋值，一般来说是（开一块一样大的空间，再把数据拷贝下来，指向我自己开的空间）

![image-20230601111741977][]

我们自己需要写一个string的深拷贝：

string(const string& str)
    			:_size(str._size)
    			, _capacity(str._capacity)
    		{
        
    			_str = new char[str._capacity + 1];
    			strcpy(_str, str._str);
    		}

![image-20230601105448444][]

void TestString()
    	{
        
    		string s1("hello xiaolu!!!");
    			string s2;
    			s2 = s1;
    	}

![image-20230601143540161][]

这里的我们没有提供默认的构造函数，当我们需要创建一个新的空白的string对象的时候，就会报错，我们可以给构造函数提供缺省值

string(const char* str = "")
    			:_size(strlen(str))
    		{
        
    			_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
    			_str = new char[_capacity + 1];
    			strcpy(_str, str);
    		}

深拷贝的常用情景，不止经常在拷贝构造，在赋值下也很经常！

赋值的深拷贝：

赋值的深拷贝思路跟拷贝构造一样是否可以呢？他们都是拿一个已有的变量来定义一个新的变量

string& operator=(const string& str)
    		{
        
    			delete[] _str;                        
    		_str = new char[strlen(str._str) + 1];  
    		strcpy(_str, str._str);                
    		}

![image-20230601143928845][]

显然这里报错了，我们来分析一下：

?详细解析：

这里我们先释放了原来的\_str，然后new了一块新的对象，再strcpy

首先我们new了一块新的空间，new失败了会怎么样？

会抛异常！抛异常！抛异常！无关紧要

失败了没问题，也不会走到 strcpy，但问题是我们已经把原有的空间释放掉了，

神不知鬼不觉地，走到析构那里二次释放可能会炸，所以我们得解决这个问题！

我们将开辟空间的步骤提前，然后释放向后移动

string& operator=(const string& str)
    		{
        
    			if (&str == this)
    				return *this;//防止自己给自己赋值
    			char* tmp = new char[str._capacity + 1];//防止开辟失败
    			strcpy(tmp, str._str);
    			delete[] this->_str;
    			_str = tmp;
    			_size = str._size;
    			_capacity = str._capacity;
    			return *this;
    		}

再提供一种相对现代一点的写法：

String& operator=(String s)
     {
        
     swap(_str, s._str);
     return *this;
     }

#### 写时拷贝 ####

在我们经常使用的STL标准模板库中的string类，也是一个具有写时才拷贝技术的类。C++曾在性能问题上被广泛地质疑和指责过，为了提高性能，STL中的许多类都采用了Copy-On-Write技术。这种偷懒的行为的确使使用STL的程序有着比较高要性能。

Copy-On-Write一定使用了“引用计数”，是的，必然有一个变量类似于RefCnt。当第一个类构造时，string的构造函数会根据传入的参数从堆上分配内存，当有其它类需要这块内存时，这个计数为自动累加，当有类析构时，这个计数会减一，直到最后一个类析构时，此时的RefCnt为1或是0，此时，程序才会真正的Free这块从堆上分配的内存。

是的，**引用计数就是string类中写时才拷贝的原理**！

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### 2.string类常用接口的实现： ###

**size()和capacity()**

size_t size()const
    {
        
    	return  _size;
    }
    size_t capacity()const
    {
        
    	return  _capacity;
    }

**clear函数**

对于 **clear()** 而言就是去清除当前对象的数据，我们直接在`_str[0]`这个位置放上一个\\0即可，并且再去修改一下它的\_size = 0即可

*  不过这个接口来说我们不要去加【const成员】，因为修改了其成员变量`_size`

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

**c\_str函数**

![image-20230601152014529][]

返回一个指向数组的指针，该数组包含一个以空字符结尾的字符序列(即C-string)，表示string对象的当前值。

这个数组包含的字符序列与string对象的值相同，另外还包含一个以空字符(‘\\0’)结尾的字符串。

*  ?c\_str返回的是一个const char\*的数组指针，只读不写

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

❓调试到这个地方就直接崩了，不应该直接打印null吗？

![image-20230808092614437][]

![image-20230601110201130][image-20230601110201130 1]如果我们换成std中的string，不会报错，说明我们初始化存在问题

![image-20230423164140071][]

namespace st
    {
        
    	class string
    	{
        
    	public:
    		string()
    			:_str(nullptr)
    			, _size(0)
    			, _capacity(0)
    		{
        }
    		string(const char* str)
    			:_str(str)
    			, _size(strlen(str))
    			, _capacity(strlen(str))
    		{
        }
    		const char* c_str()
    		{
        
    			return _str;
    		}
    	private:
    		const char* _str;
    		size_t _size;
    		size_t _capacity;
    	};
    	void test_string1()
    	{
        
    		string s1;
    		string s2("hello world");
    		std::cout << s1.c_str() << std::endl;
    		std::cout << s2.c_str() << std::endl;
    	}
    }
    int main()
    {
        
    	st::test_string1();
    	return 0;
    }

#### 2.1全缺省构造函数 ####

我们还要考虑不带参数的构造函数，如下：

void test_string1() {
        
    	string s1("hello world");    // 带参
    	string s2;                   // 不带参
    }

当我们要给一个空的字符串定义时，s2应该是‘\\0’，我们可以直接在缺省值上设置

string(const char* str = "")
    			:_size(strlen(str))
    		{
        
    			_capacity = _size == 0 ? 3 : _size;
    			_str = new char[_capacity + 1];
    			strcpy(_str, str);
    		}

> ?这里值得注意的是缺省值，我们给了一个“”
> 
> ?详细解析：
> 
> str是一个char\*类型，正常情况下，我们会给缺省值为nullptr
> 
> `string(const char* str = nullptr)`
> 
> 这里运行后会崩！！！
> 
> strlen是不会去检查空的，它是一直找到 \\0为止的
> 
> 也就相当于直接对这个字符串进行解引用了，这里的字符串又是空，所以会引发空指针问题。
> 
> 所以我们这里给的是一个空的字符串 " "，常量字符串默认就带有 \\0，这样就不会出问题：
> 
> `string(const char* str = "")`

![image-20230808094102098][]

❓为什么我们用new char\[1\]而不是直接用new char，都是一个啊为什么啊？

?为了跟有参构造那里匹配析构函数，这样就方便释放

string()
    			:_str(new char[1])
    			, _size(0)
    			, _capacity(0)
    		{
        
    			_str[0] = '\0';
    		}
    		string(const char* str)
    			:_size(strlen(str))
    		{
        
    			_capacity = _size;
    			_str = new char[_capacity + 1];
    			strcpy(_str, str);
    		}

> ❓这里可以优化吗？
> 
>     string(const char*str=nullptr)
>     string(const char* str = '\0')
> 
> ?详细解析：
> 
> 这两个都不可以，不可以解引用空指针
> 
> `string(const char* str = "\0")`
> 
> 这样是可以的，给常量字符串，但是没必要这样，可以下面这样
> 
> `string(const char* str = "")`

如果我们不写拷贝构造函数，默认生成了一个拷贝构造函数，会报错！

void test_string2()
    	{
        
    		string s1;
    		string s2("hello world");
    		 
    		string s3(s2);
    		std::cout << s1.c_str() << std::endl;
    		std::cout << s2.c_str() << std::endl;
    		std::cout << s3.c_str() << std::endl;
    	}

这里发生浅拷贝，同一块空间会被释放两次

string(const string& str)
    			:_size(str._size)
    			,_capacity(str._capacity)
    		{
        
    			_str = new char[str._capacity+ 1];
    			strcpy(_str, str._str);
    		}

--------------------

#### 2.2拷贝构造函数 ####

#### 2.3operator\[\]的实现 ####

❓\[\]重定向，这里有什么问题呢？

char& operator[](size_t pos)
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			return _str[pos];
    		}
    //成员变量
    private:
    		const char* _str;
    		size_t _size;
    		size_t _capacity;

普通对象可以调用，但是 const 对象呢？所以我们还要考虑一下 const 对象。

我们可能会修改pos位置的字符，也可能加字符，这里会报错，因为str为const char\*类型

const char& operator[](size_t pos)const
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			return _str[pos];
    		}
    		char& operator[](size_t pos)//构成函数重载
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			return _str[pos];
    		}

--------------------

#### 2.4operator=的实现及其必要性 ####

赋值的话，不写拷贝构造的话也是值拷贝（浅拷贝)

`s1 = s3;`

下图拷贝构造分为三种：

第一种：s1的空间和s3的空间一样大

第二种：s1的空间比s3的空间大

第三种：s1的空间比s3的空间小

![image-20230424093406343][]

显然：这里第三种情况内存不够，要先释放防止内存泄漏，第二种是内存浪费，干脆全部都重新开空间就好了

string& operator=(const string& str)
    		{
        
    			if (&str == this)
    				return *this;//防止自己给自己赋值
    			char*tmp = new char[str._capacity + 1];//防止开辟失败
    			strcpy(tmp, str._str);
    			delete[] this->_str;
    			_str = tmp;
    			_size = str._size;
    			_capacity = str._capacity;
    			return *this;
    		}

--------------------

#### 2.5Print函数 ####

![image-20230424112050548][]

这里权限放大了

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

const函数，修饰this指针，但是这样另外一个地方又报错了

![image-20230424112552841][]

构成函数重载就可以解决问题了，各调用各的，这里调用第二个就可以了，this没有const修饰，并且返回类型没有const，就可以进行++等修改操作了

const char& operator[](size_t pos)const
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			return _str[pos];
    		}
    	    char& operator[](size_t pos)//构成函数重载
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			return _str[pos];
    		}

### 3.迭代器的实现 ###

我们先来看看STL库中的string类的迭代器

![image-20230808104654329][]

#### 3.1begin和end的实现 ####

typedef char* iterator;
    		iterator begin()
    		{
        
    			return _str;
    		}
    		iterator end()
    		{
        //返回迭代器最后一个位置的下一个位置
    			return _str + _size;
    		}

#### 3.2迭代器的扩展引用——范围for ####

for (auto ch : s1)
    		{
        
    			std::cout << ch << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;

这里可以支持范围for，范围for的底层是迭代器实现的

?范围for遇上const类型的对象，会报错，因此要提供const迭代器

`typedef const char* const_iterator;`

const迭代器，自己可以修改，指向的对象不可以修改，有点像const指针

### 4.一些常用的运算符重载 ###

bool operator>(const string&str)
    		{
        
    			return strcmp(_str, str._str) > 0;
    		}
    		bool operator==(const string& str)
    		{
        
    			return strcmp(_str, str._str) == 0;
    		}
    		bool operator>=(const string& str)
    		{
        
    			return *this > str || *this == str;
    		}
    		bool operator<(const string& str)
    		{
        
    			return !(*this >= str);
    		}
    		bool operator<=(const string& str)
    		{
        
    			return !(*this > str);
    		}

### 5.string类的增删查改 ###

#### 5.1reserve函数 ####

reserve是一个增容函数

我们先来实现一下reserve函数，再来检验一下实用性

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

![image-20230808110250901][]

#### 5.2push\_back函数 ####

这是一个增加字符到字符串的函数

首先检查是否需要增容，如果需要就调用我们上面实现的 reserve 函数，

参数传递可以用三目操作符，防止容量是0的情况，0乘任何数都是0从而引发问题的情况。

然后在 \\0 处插入要追加的字符 append\_ch，然后 \_size++ 并手动添加一个新的 \\0 即可。

void push_back(char ch)
    		{
        
    			if (_size + 1 > _capacity)
    			{
        
    				reserve(_capacity * 2);
    			}
    			_str[_size] = ch;
    			++_size;
    			_str[_size] = '\0';
    		}

#### 5.3append函数 ####

append函数是追加字符串的函数

void append(const char* str)
    		{
        
    			size_t len = strlen(str);
    			if (_size + len > _capacity)
    			{
        
    				reserve(_size + len);
    			}
    			strcpy(_str + _size, str);
    			_size += len;
    		}

#### 5.4 operator+= 的实现 ####

比起push\_back和append函数，我们更加喜欢用+=运算符来追加字符串或字符

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

#### 5.5insert函数 ####

![image-20230425110304561][]

?如果npos是const可以在类内初始化，这种情况只能出现在整形的情况，double不可以

`static const size_t npos=-1;`

但是不推荐这样写，推荐老老实实写，这里语法有点冲突，但是不会报错

![image-20230425110553877][]

void insert(size_t pos, char ch)
    		{
        
    			assert(pos <= _size);
    			if (_size + 1 > _capacity)
    			{
        
    				reserve(2 * _capacity);
    			}
    			size_t end = _size;//size_t是一个无符号整数
    			while (end >= pos)
    			{
        
    				_str[end + 1] = _str[end];
    				--end;
    			}
    			_str[pos] = ch;
    			++_size;
    		}

?详细解析：

上面代码是错的，end是一个无符号整数，-1的话变为max-1了，这里是等号两边的类型不同，会发生整形提升，有符号会变成无符号的

string& insert(size_t pos, char ch)
    		{
        
    			assert(pos <= _size);
    			if (_size == _capacity)
    			{
        
    				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 3 : 2 * _capacity;
    				reserve(newcapacity);
    			}
    			//int cur = pos;
    			size_t end = _size + 1;//size_t是一个无符号整数
    
    			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 (_size + len > _capacity)
    			{
        
    				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 3 : 2 * _capacity;
    				reserve(newcapacity);
    			}
    			size_t str_cur = 0;//str的下标
    			size_t end = _size + 1;
    
    			return *this;
    		}

#### 5.6resize函数 ####

n有三种情况

![image-20230425145641725][]

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

#### 5.7erase函数 ####

erase的三种情况

![image-20230505110652661][]

string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			if (pos + len >= _size || len == npos)
    			{
        
    				_str[pos] = '\0';
    				_size = pos;
    			}
    			else
    			{
        
    				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
    				_size -= len;
    			}
    			return *this;
    		}

#### 5.8find函数 ####

size_t find( char ch,size_t pos=0)
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			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)
    		{
        
    			assert(pos < _size);
    			char* p = strstr(_str + pos, str);
    			if (p == nullptr)
    			{
        
    				return npos;
    			}
    			else
    			{
        
    				return p - _str;
    			}
    		}

在这里插入代码片

![在这里插入图片描述][a80fe11e958a41ba8ce1a881ce56e06d.gif_pic_center]

[fd612d6fdbf645acaca66297e5951116.png_pic_center]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/d8bc74572e4d4d3781d1513af9171ae0.png
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[image-20230527165906710]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/7ea3afa177f04894b18e77ee521e9db4.png
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[image-20230424093406343]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/d62563a087cf4a1ea11bf6c06d967d43.png
[image-20230424112050548]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/3d7055bfa0f3496f8f0d58848bca43c9.png
[image-20230424112552841]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/509cc9d1d2ca4e37b9468715f4eab309.png
[image-20230808104654329]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/247f2eb8cdef4f2c973eeb7a70b5c8ae.png
[image-20230808110250901]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/01f8dd9406dc4e10a3cd065feba7393a.png
[image-20230425110304561]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/da6f7b5d8d1f42b693fc914f1c092180.png
[image-20230425110553877]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/63c7d5f337cc4e26a60c7b148c57497f.png
[image-20230425145641725]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/855a013fc96c4d86a3abfc96225ed89e.png
[image-20230505110652661]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/25/371669c105b142be834c211ec899e46a.png
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