【C++】STL：string类的模拟实现

「爱情、让人受尽委屈。」 2021-09-09 04:40 449阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  前言
 *  一、四个默认成员函数
 *   *  1.构造函数
     *  2.析构函数
     *  3.拷贝构造
     *   *  1.浅拷贝
         *  2.深拷贝
     *  4.赋值运算符重载
 *  二、string类的其它函数
 *   *  1.一些简单的函数
     *   *  （1）size、capacity、c\_str和clear
         *  （2）比较函数
     *  2.三种遍历方式
     *   *  （1）下标+\[\]
         *  （2）迭代器
         *  （3）范围for
     *  3.reserve和resize
     *   *  （1）reserve
         *  （2）resize
     *  4.插入数据
     *   *  （1）push\_back插入字符
         *  （2）append添加字符串
         *  （3）operator+=
         *  （4）insert在任一位置插入字符或字符串
     *  5.erase
     *  6.find
     *  7.输入输出重载
 *  感谢阅读，如有错误请批评指正

# 前言 #

在[【C++】STL(一)string类的使用][C_STL_string]一文中已经对string类进行了简单的介绍，一般来说只要会正常使用即可，下面来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。

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# 一、四个默认成员函数 #

## 1.构造函数 ##

构造函数的实现思路就是给\_str新开一片空间，并把参数中的字符串拷贝到新开的空间内。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String(const char* str = "")
    		:_str(new char[strlen(str) + 1])//开空间，空间的大小+1是为了给\0留位置
    	{ 
    		strcpy(_str, str);
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

注意参数的默认值不能给nullptr，因为若不传参使用默认值时，strlen(str)会对空指针进行解引用操作从而报错，这里最好用""，也即一个仅有\\0的空字符串。

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另一种写法如下

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String(const String& s)
    		:_str(nullptr)
    	{ 
    		//用s的_str产生一个临时的String对象
    		String tmp(s._str);
    		//交换tmp的_str和*this的_str即可达到目的
    		swap(_str, tmp._str);
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

注意这是构造函数，所以**新产生的对象在初始化前\_str内存储着随机值**，交换后tmp（临时对象，生命周期仅在这个函数体内）**出作用域时调用析构函数**会释放一段随机空间，这是非法访问，所以在初始化列表内给\_str以nullptr，这样在析构函数调用时对nullptr进行delete\[\]没有问题。

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## 2.析构函数 ##

析构函数比较简单，只需释放空间并将指针置空即可。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	~String()
    	{ 
    		delete[] _str;
    		_str = nullptr;
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

## 3.拷贝构造 ##

这里会设计到深浅拷贝的问题。

### 1.浅拷贝 ###

先看一下若不写拷贝构造函数，使用编译器默认生成的是否能满足要求。

代码如下：

int main()
    { 
    	String s1("hello world");
    	String s2(s1);
    
    	return 0;
    }

运行后程序会崩溃，那么原因是什么呢？

运行如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl81MTk4MzYwNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
调试会发现，s1、s2中各自的\_str指向同一片空间，也就是说在析构函数时会对同一块空间delete\[\]两次，这显然是不合法的，**根本原因在于编译器给出的默认构造函数只进行值拷贝，即把s1中\_str的值拷贝给s2中的\_str，这样一来两个String对象中的\_str指向同一块空间，不仅修改时会互相影响，在调用析构函数时程序更是会崩溃。**

调试结果如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl81MTk4MzYwNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

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，而此时另一个对象的资源已经被释放，当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。

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### 2.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。一般都是按照深拷贝方式提供。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//注意不要与构造函数混淆
    	String(const String& s)
    		:_str(new char[strlen(s._str) + 1])
    	{ 
    		strcpy(_str, s._str);
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

这样一来，两个String对象的\_str指向的空间便成了独立的两块，互不影响。

调试结果如下：

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl81MTk4MzYwNA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

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

另一种写法如下：

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	// 注意这里不传引用
    	String& operator=(String s)
    	{ 
    		swap(_str, s._str);
    		return *this;
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

形参列表里的s是一个临时产生的String对象，在该函数结束后会调用析构函数，将s与\*this的\_str交换后，*this内的\_str便和希望得到的内容一样，而原来*this的\_str内的内容随着对象s析构函数的调用消失。

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## 4.赋值运算符重载 ##

若不写而使用编译器默认生成的赋值运算符重载，则同样会发生上面浅拷贝的问题，所以这里仍要考虑深拷贝。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String& operator=(const String& s)
    	{ 
    		if (this != &s)//防止自己给自己赋值
    		{ 
    			delete[] _str;//释放原来的空间
    			_str = new char[strlen(s._str) + 1];//开辟新空间
    			strcpy(_str, s._str);//拷贝字符串
    		}
    		return *this;
    	}
    private:
    	char* _str;
    };

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# 二、string类的其它函数 #

上面的四个默认成员函数主要是操作\_str，基本不涉及\_size和\_capacity，下面的函数则需要用到，所以在private的成员变量中需要添加。

则上面的四个函数也需要稍微改动。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String(const char* str = "")
    	{ 
    		_size = strlen(str);
    		_capacity = _size;
    		_str = new char[strlen(str) + 1];
    		strcpy(_str, str);
    	}
    	
    	String(const String& s)
    		:_str(nullptr)
    		, _size(0)
    		, _capacity(0)
    	{ 
    		String tmp(s._str);
    		//交换三个成员变量
    		swap(_str, tmp._str);
    		swap(_size, tmp._size);
    		swap(_capacity, tmp._capacity);
    	}
    
    	String& operator=(String s)
    	{ 
    		//交换三个成员变量
    		swap(_str, s._str);
    		swap(_size, s._size);
    		swap(_capacity, s._capacity);
    		return *this;
    	}
    	
    	~String()
    	{ 
    		delete[] _str;
    		_str = nullptr;
    		_size = 0;
    		_capacity = 0;
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;//当前字符的个数
    	size_t _capacity;//最多能存储的字符个数
    };

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## 1.一些简单的函数 ##

### （1）size、capacity、c\_str和clear ###

这几个函数非常简单，这里不作过多解释。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	size_t size()
    	{ 
    		return _size;
    	}
    	
    	size_t capacity()
    	{ 
    		return _capacity;
    	}
    	
    	const char* c_str() const
    	{ 
    		return _str;
    	}
    	
    	//删除_str内的所有内容
    	void clear()
    	{ 
    		_size = 0;
    		_str[_size] = '\0';
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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### （2）比较函数 ###

下面这些函数时比较两个string类的（实质是用strcmp比较两个对象的\_str），代码较短且常用，所以可以设计为内联函数。

代码如下：

inline bool operator<(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) > 0;
    }
    
    inline bool operator==(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
    }
    
    inline bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return (s1 < s2) || (s1 == s2);
    }
    
    inline bool operator>(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return !(s1 <= s2);
    }
    
    inline bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return !(s1 < s2);
    }
    
    inline bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
    { 
    	return !(s1 == s2);
    }

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

## 2.三种遍历方式 ##

### （1）下标+\[\] ###

要用到\[\]则需要进行重载，这样便可通过下标访问字符串。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//返回引用保证可读可写
    	char& operator[](size_t i)
    	{ 
    		assert(i < _size);
    		return _str[i];
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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### （2）迭代器 ###

string类的迭代器就是一个char\*指针（但其它容器不一定是），所以实现起来比较简单。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//typedef为char*改名
    	typedef char* Iterator;
    	//返回字符串第一个位置
    	Iterator begin()
    	{ 
    		return _str;
    	}
    	
    	//返回字符串最后一个字符的下一个位置
    	Iterator end()
    	{ 
    		return _str + _size;
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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### （3）范围for ###

对于范围for的遍历方式，只要支持迭代器就可以使用，因为**范围for的遍历方式最终会被编译器转换为迭代器**。同时由于这个原因，模拟实现的迭代器命名必须与标准一致，begin、end名称不可修改，**随意更换begin、end的大小写或单词拼写都将时范围for无法运行**。

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## 3.reserve和resize ##

### （1）reserve ###

reserve会改变字符串能存储的最大有效字符个数。

注意拷贝字符串时要用strncpy把\_size个字符全部拷贝，不能用strcpy，因为strcpy遇到’\\0’拷贝即结束，但string类字符串的结束是\_size限定的。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//开空间，扩容_capacity
    	void reserve(size_t n)
    	{ 
    		if (n > _capacity)
    		{ 
    			char* tmp = new char[n + 1];//注意给'\0'留位置
    			strncpy(tmp, _str, _size + 1);//不能用strcpy
    			delete[] _str;
    			_str = tmp; 
    			_capacity = n;
    		}
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

### （2）resize ###

resize会改变字符串存储的有效字符个数，同时可能会改变\_capacity。若有多余的空间会将其初始化为指定的内容。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//开空间+初始化。改变_size，可能改变_capacity且初始化
    	void resize(size_t n, char val = '\0')//默认值给'\0'
    	{ 
    		//n < _size时直接修改_size并截止字符串
    		if (n < _size)
    		{ 
    			_size = n;
    			_str[_size] = '\0';
    		}
    		else
    		{ 
    			if (n > _capacity)
    				reserve(n);
    			//将多余的位置用val填充
    			for (size_t i = _size; i < n; i++)
    				_str[i] = val;
    			_size = n;//修改_size
    			_str[_size] = '\0';//结束字符串
    		}
    	}
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

## 4.插入数据 ##

### （1）push\_back插入字符 ###

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	void push_back(const char ch)
    	{ 
    		//空间不够则扩容
    		if (_size == _capacity)
    		{ 
    			//若原来空间为0则设为4，否则将容量翻倍
    			size_t newcapacity = (_capacity == 0) ? 4 : (2 * _capacity);
    			reserve(newcapacity);
    		}
    		
    		//直接添加到_str后即可
    		_str[_size] = ch;
    		_size++;
    		_str[_size] = '\0';
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

### （2）append添加字符串 ###

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	void append(const char* str)
    	{ 
    		size_t len = strlen(str);
    		if (_size + len >= _capacity)//空间不够则扩容
    			reserve(_size + len);
    		//将str拷贝到_str之后
    		strcpy(_str + _size, str);
    		_size += len;
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

### （3）operator+= ###

这里注意代码复用。

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String& operator+=(const char ch)
    	{ 
    		push_back(ch);
    		return *this;
    	}
    
    	String& operator+=(const char* str)
    	{ 
    		append(str);
    		return *this;
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

### （4）insert在任一位置插入字符或字符串 ###

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	String& insert(size_t pos, const char ch)
    	{ 
    		assert(pos <= _size);
    
    		if (_size == _capacity)//空间不够则扩容
    		{ 
    			size_t newcapacity = (_capacity == 0) ? 4 : (2 * _capacity);
    			reserve(newcapacity);
    		}
    		size_t i = 0;
    		//腾出一个位置来填充字符
    		for (i = _size + 1; i > pos; i--)
    			_str[i] = _str[i - 1];
    		_str[pos] = ch;
    		_size++;
    
    		return *this;
    	}
    	
    	//在pos之前插入字符串
    	String& insert(size_t pos, const char* str)
    	{ 
    		assert(pos <= _size);
    
    		size_t len = strlen(str);
    		if (len + _size > _capacity)//空间不够则扩容
    			reserve(len + _size);
    		size_t i = 0, j = 0;
    		//先挪动数据，腾出len个空间
    		for (i = len + _size; i >= pos + len; i--)
    			_str[i] = _str[i - len];
    		//将str的内容补充到腾出的len个空间
    		for (i = pos, j = 0; j < len; j++)
    			_str[i++] = str[j];
    		_size += len;
    
    		return *this;
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

## 5.erase ##

代码如下：

class String
    { 
    public:
    String& erase(size_t pos, size_t len = npos)
    	{ 
    		assert(pos < _size);
    		size_t leftLen = _size - pos;//从pos位置到字符串结尾剩余的长度
    		//若要求删除的长度比leftLen长，则全部删除 
    		if (len >= leftLen)
    		{ 
    			_str[pos] = '\0';
    			_size = pos;
    		}
    		else
    		{ 
    			//从pos开始删除len个字符
    			for (size_t i = pos; i < pos + len; i++)
    				_str[i] = _str[i + len];
    			_size -= len;
    		}
    		return *this;
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    	
    	static const size_t npos;//添加一个静态成员变量
    };
    
    //设置为无符号整型的最大值
    const size_t String::npos = -1;

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

## 6.find ##

代码如下：

class String
    { 
    public:
    	//从pos开始查找字符ch，找不到返回npos，找到返回下标
    	size_t find(const char ch, size_t pos = 0)
    	{ 
    		assert(pos < _size);
    	
    		//依次遍历，若仍没有则找不到
    		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);
    
    		//用strstr函数
    		const char* ret = strstr(_str + pos, str);
    		//ret不为空则找到，返回其与字符串开始的位置之差
    		if (ret)
    			return ret - _str;
    		else
    			return npos;
    	}
    	
    private:
    	char* _str;
    	size_t _size;
    	size_t _capacity;
    };

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

## 7.输入输出重载 ##

输入输出重载在之前[【C++】类和对象3][C_3] 中介绍运算符重载时详细介绍过，这里的实现方式与之前相近。

代码如下：

//为了符合使用习惯，在类外定义
    ostream& operator<<(ostream& out, const String& s)
    { 
    	for (auto e : s)
    		out << e;
    	return out;
    }
    
    istream& operator>>(istream& in, String& s)
    { 
    	s.clear();//首先清除s内的内容
    	char ch;
    	ch = in.get();//获得输入的字符（注意'\n'和' '也会读入ch）
    	while (ch != ' ' && ch != '\n')
    	{ 
    		s += ch;//一个字符一个字符读，不是空格或换行则补在s之后
    		ch = in.get();//继续读入
    	}
    
    	return in; 
    }

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

# 感谢阅读，如有错误请批评指正 #

[C_STL_string]: https://blog.csdn.net/weixin_51983604/article/details/119023499?spm=1001.2014.3001.5501
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl81MTk4MzYwNA_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20210813/9001853140d34eb5ad5e2b78b72d437c.png
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[C_3]: https://blog.csdn.net/weixin_51983604/article/details/118608533?spm=1001.2014.3001.5501