【C++】理解string类的核心理念（实现一个自己的string类）

目录

一、引言

二、自我实现

1.成员变量的读写

2.构造与析构

3.迭代器

4.插入字符或字符串

尾插

中间插入

5.删除字符或子字符串

6.查找字符或子串

7.获取子串

三、完整代码

四、补充

一、引言

        实现自己的 string 类是学习 C++ 语言和面向对象编程的一个好方法。通过编写一个简单的字符串类，可以深入理解类的概念、内存管理、构造函数、析构函数等核心理念。理解了string类的底层逻辑之后会发现，一些在上层看似复杂的操作在底层其实很简单。下面就让我们来实现一个自己的string类吧！

二、自我实现

1.成员变量的读写

        string是一个字符串类，所以我们在定义成员变量的时候需要一个char类型的指针，指向存放字符串的空间，为了方便实现对字符串的操作以及内存的管理，还需要定义两个整形变量，一个表示字符串长度，一个表示当前空间大小。

private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};

这里定义成私有成员变量所以还需要使变量可读：

        const char* c_str() const //const关键字进行函数重载，表示const对象也可以调用，不加则不行{return _str;}size_t size() const{return _size;}

这里的 const是一个关键字，作用是对函数进行重载，使其具有普通成员函数以及常量成员函数的双重身份，如果没有常量成员函数，那么常量对象就无法调用不带 const 修饰的成员函数，这可能导致在使用常量对象时的一些限制和不便。

我们需要重载[]，完成对指定位置的字符的读或写操作：

		char& operator[](size_t pos) //引用返回：返回值出了作用域任然存在，可读可写{assert(pos < _size);return _str[pos];}const char& operator[](size_t pos) const //const对象调用这个，只读{assert(pos < _size);return _str[pos];}

这里提供两个版本，一个是普通成员函数，一个是常量成员函数，之所以要分开写是因为他们的返回值类型不同，一个是可读可写，一个是只读不可写。

2.构造与析构

  • 默认构造函数
		string(const char* str = "") //全缺省，常量字符串末尾默认'\0':_size(strlen(str)),_capacity(_size),_str(new char[_capacity + 1]){strcpy(_str, str);}

其作用是创建一个 string 类对象，该对象的内部包含一个动态分配的字符数组 _str，存储了传入的 C 字符串的内容，并且记录了字符串的长度 _size 和容量 _capacity。我们调用无参构造函数时 _str内部默认存在有字符 '\0'。'\0 '标记了字符串的末尾。

  • 拷贝构造函数
		string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}

这是一个字符串类的拷贝构造函数的实现。拷贝构造函数用于创建一个新的对象，并以另一个同类型对象的内容为模板进行初始化。具体来说，对于字符串类而言，这段代码的作用是创建一个新的字符串对象，并将其内容初始化为另一个字符串对象 s 的内容的副本。

这里的构造函数都是以深拷贝的方式实现，新对象拥有一个新的内存块，该内存块包含源对象或源字符串的副本。

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

析构函数无需多言，需要注意的是 delete后面一定要加 []，表示释放的是一个字符串的空间。

3.迭代器

string类提供了迭代器（iterator）来遍历字符串的元素，迭代器是一种抽象的、通用的数据访问方式，它可以被用于遍历不同类型的数据结构。在string中，迭代器通常是一个指向字符的指针或类似指针的对象，这里我们模拟实现的是指针类型的迭代器：

//迭代器typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;

同样也有普通指针和常量指针两个版本

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

begin() 和 end()分别返回指向字符串首元素以及尾元素的后一位，由于返回值的不同，普通成员函数与常量成员函数要分开写。

其实实现了迭代器也就实现了基于范围的for循环，不信可以看看以下代码：

#include<iostream>
using namespace std;#include"string.h"void text_iterator()
{bit::string a("Hello world!");bit::string::iterator it = a.begin();while (it != a.end()){cout << *it;it++;}cout << endl;for (auto ch : a){cout << ch;}cout << endl;
}int main()
{text_iterator();return 0;
}

此时输出结果是：

看到了吗，两个循环的结果是一样的，我们没有做任何操作，就实现了基于范围的for循环诶，其实，实现了迭代器之后，第二个循环体与前一个循环体对编译器来看是一样的，这是给编译器设计好的，不需要我们进行多余的操作。

4.插入字符或字符串

在进行插入操作时，我们要先判断字符串的空间大小，如果插入的字符/字符串的长度大于所剩余的空间，就需要进行扩容，在string中，reserve成员函数实现上述功能：

//扩容void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;//可以直接指针复制，令两者指向同一块空间_capacity = n;}}

如果需要扩容，我们的做法是开辟一块新的空间，存放原字符串的副本，并且对原字符串进行空间释放，再进行指针复制，令_str指向新开辟的那块空间。

尾插

接下来就可以进行尾部插入字符或字符串的操作了：

		//插入字符void push_back(char ch){if (_size == _capacity){//2倍扩容reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}

插入字符时，首先判断空间大小，空间不足则进行2倍扩容，要注意的是原字符串为空的情况，此时就不是2倍扩容了，而是给定一个初始大小的空间。插入一个字符不仅要对插入位置进行赋值，还要将它的下一位置赋值为'\0'。

//插入字符串void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){//至少扩容到_size+lenreserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}

插入字符串的操作和插入字符类似。进行扩容操作之后用strcpy函数将要插入的字符串赋值到原字符串的末尾处。

我们在使用string类的时候经常会用到其重载后的+=操作，其作用是直接在str后面插入字符或字符串，很方便，其实实现起来也很简单，就是用到上述的插入函数：

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

中间插入

在string类中，insert函数用于在字符串的指定位置插入字符或字符串。

		void insert(size_t pos, size_t n, char ch){assert(pos <= _size);if (_size + n < _capacity){//至少扩容到_size+nreserve(_size + n);}//挪动数据size_t end = _size;while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢？end!=-1{_str[end + n] = _str[end];--end;}for (size_t i = 0; i < n; i++){_str[pos + i] = ch;}_size += n;}void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len < _capacity){//至少扩容到_size+nreserve(_size + len);}//挪动数据size_t end = _size;while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢？end!=-1{_str[end + len] = _str[end];--end;}for (size_t i = 0; i < len; i++){_str[pos + i] = str[i];}_size += len;}

同样要先判断空间大小，进行扩容操作。然后要进行数据的挪动，挪动的范围是pos到end位置，挪动的距离是n。这里要注意一个特殊情况，就是当pos为0时，也就是要将字符串整体向后移动时，标记当前挪动字符位置的变量end在对首字符挪动完之后，其值会自减为-1，但是end是一个无符号整形，因此此时的-1会被解释为该无符号整数的最大可能值，所以还有加上一个判断条件：end != -1。

5.删除字符或子字符串

在 string 类中，erase 函数用于从字符串中删除字符或子字符串。

		void erase(size_t pos, size_t len = -1){assert(pos < _size);if (len == -1 || pos + len > _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{size_t end = pos + len;while (end <= _size){_str[pos++] = _str[end++];}_size -= len;}}

pos表示删除的起始位置，len表示删除的字符串的长度，len设置成缺省参数，默认为最大值，即pos位置后面的字符全删，当pos+len大于字符串长度时也是全删。全删很简单，只要将pos位置赋值为'\0'就可以了。此外就是删除内部的子串了，定义一个变量end用于标记要删除的子串的末尾，将end后面的字符依次覆盖到pos后面的字符处，即可完成删除操作。

6.查找字符或子串

string 类中的 find 函数用于在字符串中搜索子字符串或字符，并返回第一次出现的位置：

        //找一个字符size_t find(char ch, size_t pos = 0){for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return -1;}//找一个字符串size_t find(const char* str, size_t pos = 0){const char* ptr = strstr(_str,str);if (ptr){return ptr - _str;}else{return -1;}}

查找操作很容易实现，只需要对字符串进行遍历，需要说明的是查找字符串操作时用到的 strstr 函数：C 标准库函数 strstr 在字符串 _str 中查找第一次出现的子字符串 str。strstr 返回一个指向匹配子字符串的指针，如果未找到匹配项，则返回 nullptr。

7.获取子串

在 string 类中，substr 函数用于提取字符串的子串：

		//取子串string substr(size_t pos = 0, size_t len = -1){assert(pos <= _size);size_t n = len;if (n == -1 || pos + n > _size){n = _size - pos;}string tmp;tmp.reserve(n);for (size_t i = pos; i < pos + n; i++){tmp += _str[i];}return tmp;}

pos表示子串的首元素位置，len表示子串长度，len同样设置成缺省参数，缺省值为最大值，即取的是pos后面的全部字符组成的子串。由于返回值类型是string类，所以我们需要声明一个tmp对象，用于存放子串的副本，用重载后的+=操作符即可实现子串的复制。

三、完整代码

#pragma once
#include<iostream>
#include<cassert>
using namespace std;
namespace Mystd
{class string{public:string(const char* str = "") //全缺省，常量字符串末尾默认'\0':_size(strlen(str)),_capacity(_size),_str(new char[_capacity + 1]){strcpy(_str, str);}string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}const char* c_str() const //const关键字进行函数重载，表示const对象也可以调用，不加则不行{return _str;}size_t size() const{return _size;}char& operator[](size_t pos) //引用返回：返回值出了作用域任然存在，可读可写{assert(pos < _size);return _str[pos];}const char& operator[](size_t pos) const //const对象调用这个，只读{assert(pos < _size);return _str[pos];}//迭代器typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;} //实现了迭代器也就实现了范围forconst_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;} //实现了迭代器也就实现了范围for//扩容void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;//可以直接指针复制，令两者指向同一块空间_capacity = n;}}//插入字符void push_back(char ch){if (_size == _capacity){//2倍扩容reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}//插入字符串void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){//至少扩容到_size+lenreserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}void insert(size_t pos, size_t n, char ch){assert(pos <= _size);if (_size + n < _capacity){//至少扩容到_size+nreserve(_size + n);}//挪动数据size_t end = _size;while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢？end!=-1{_str[end + n] = _str[end];--end;}for (size_t i = 0; i < n; i++){_str[pos + i] = ch;}_size += n;}void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len < _capacity){//至少扩容到_size+nreserve(_size + len);}//挪动数据size_t end = _size;while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢？end!=-1{_str[end + len] = _str[end];--end;}for (size_t i = 0; i < len; i++){_str[pos + i] = str[i];}_size += len;}void erase(size_t pos, size_t len = -1){assert(pos < _size);if (len == -1 || pos + len > _size){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{size_t end = pos + len;while (end <= _size){_str[pos++] = _str[end++];}_size -= len;}}//找一个字符size_t find(char ch, size_t pos = 0){for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return -1;}//找一个字符串size_t find(const char* str, size_t pos = 0){const char* ptr = strstr(_str,str);if (ptr){return ptr - _str;}else{return -1;}}//取子串string substr(size_t pos = 0, size_t len = -1){assert(pos <= _size);size_t n = len;if (n == -1 || pos + n > _size){n = _size - pos;}string tmp;tmp.reserve(n);for (size_t i = pos; i < pos + n; i++){tmp += _str[i];}return tmp;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;static size_t npos;};size_t Mystd::string::npos = -1;
}

四、补充

        前面说到过：在C++中，对于无符号整数类型，-1 不是一个负数，而是一个非常大的正整数。这是由于无符号整数类型不能表示负数，因此用有符号整数的-1表示无符号整数时，会被解释为该无符号整数的最大可能值。因此我在处理一些返回值情况时，例如查找操作时，没找到指定字符则返回-1这可能导致问题，因为 size_t 是一个无符号整数类型，而 -1 是有符号整数。在 C++ 中，无符号整数和有符号整数之间的比较可能导致一些不直观的行为。

        所以最好用std::string::npos来表示-1（最大可能值）的情况。npos需设置成静态成员变量：

namespace Mystd
{class string{public://...private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;static size_t npos;};size_t Mystd::string::npos = -1;
}

写文不易，望多多支持~~

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