【C++从青铜到王者】第八篇:STL之string类的模拟实现

Bertha 。 2022-10-18 15:49 155阅读 0赞

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# 系列文章目录 #

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### 文章目录 ###

*  系列文章目录
 *  前言
 *  一、string类的模拟实现
 *   *   *  1.经典的string类问题
         *  2.浅拷贝
         *  3.深拷贝
         *  4.传统版的string类
         *  5.现代版的string类
         *  6. 写时拷贝(了解)
         *  7. string类的模拟实现
 *  总结

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# 前言 #

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![在这里插入图片描述][20210708173511100.png_pic_left]

# 一、string类的模拟实现 #

### 1.经典的string类问题 ###

**上篇文章已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现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。大家看下以下string类的实现是否有问题？**

nclude<iostream>
    namespace yyw
    { 
    	class string
    	{ 
    	public: 
    		//string() //无参构造函数
    		// :_str(nullptr)
    		//{}
    
    		//string(char* str) //有参构造函数
    		// :_str(str)
    		//{}
    
    		string()
    			:_str(new char[1])
    		{ 
    			_str[0] = '\0';
    		}
    		string(char* str)   //构造函数在堆上开辟一段strlen+1的空间+1是c_str
    			:_str(new char[strlen(str)+1])
    		{ 
    			strcpy(_str, str); //strcpy会拷贝\0过去
    		}
    
    		//string(char* str="") //构造函数在堆上开辟一段strlen+1的空间+1是c_str
    		// :_str(new char[strlen(str) + 1])
    		//{ 
    		// strcpy(_str, str); //strcpy会拷贝\0过去
    		//}
    		size_t size()
    		{ 
    			return strlen(_str);
    		}
    		bool empty()
    		{ 
    			return _str == nullptr;
    		}
    		char& operator[](size_t i)  //用引用返回不仅可以读字符，还可以修改字符
    		{ 
    			return _str[i];
    		}
    
    		~string()          //析构函数
    		{ 
    			if (_str)
    			{ 
    				delete[] _str;
    				_str = nullptr;
    			}
    		}
    				const char* c_str() //返回C的格式字符串
    		{ 
    			return _str;
    		}
    
    	private:
    		char* _str;
    	};
    	void TestString1()
    	{ 
    		string s1("hello");
    		string s2;
    		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
    		{ 
    			s1[i] += 1;
    			std::cout << s1[i] << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;
    		for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)
    		{ 
    			s2[i] += 1;
    			std::cout << s2[i] << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;
    	}
    
    	void TestString2()
    	{ 
    		string s1("hello");
    		string s2(s1);
    		std::cout << s1.c_str() << std::endl;
    		std::cout << s2.c_str() << std::endl;
    
    		string s3("world");
    		s1 = s3; //调试点这里，析构也是两次
    		std::cout << s1.c_str() << std::endl;
    		std::cout << s3.c_str() << std::endl;
    	}
    }

**默认的拷贝的构造函数出现的问题。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
**默认的赋值运算符重载出现的问题。**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]  
**说明：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。**

### 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。要解决浅拷贝问题，C++中引入了深拷贝。**

### 3.深拷贝 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]

### 4.传统版的string类 ###

**C++ 的一个常见面试题是让你实现一个 String 类，限于时间，不可能要求具备 std::string 的功能，但至少要求能正确管理资源。**  
**具体来说：能像 int 类型那样定义变量，并且支持赋值、复制。能用作函数的参数类型及返回类型。能用作标准库容器的元素类型，即 vector / list / deque 的 value\_type。（用作 std::map 的 key\_type 是更进一步的要求，本文从略）。换言之，你的 String 能让以下代码编译运行通过，并且没有内存方面的错误。**

#include<iostream>
    //用小写的string必须用命名空间，否则会造成与库里面的string冲突
    namespace yyw
    { 
    	class string
    	{ 
    	public:
    		string(const char* str = "")
    			:_str(new char[strlen(str)+1])
    		{ 
    			strcpy(_str, str);
    		}
    
    		//s2(s1）
    		string(const string& s)
    			:_str(new char[strlen(s._str)+1])
    		{ 
    				strcpy(_str, s._str);
    		}
    
    		//s1=s;
    		// const 是因为对 s 不需要修改，安全性更高
            // 参数 & 是因为不需要传值拷贝、效率高
            // 返回值 & 是为了连续赋值（效率高）
    		string& operator=(const string& s)
    		{ 
    			//检查是否自己给自己赋值
    			if (this != &s)
    			{ 
    				char* tmp = new char[strlen(s._str) + 1];
    				strcpy(tmp,s._str);   //把s的数据拷贝到新开辟的空间
    				delete[] _str;        //把this指向的空间释放掉
    				_str = tmp;           //指向新空间
    			}
    			return *this;
    		}
    
    		~string()
    		{ 
    			if(_str)
    			{ 
    				delete[] _str;
    				_str = nullptr;
    			}
    		}
    		char& operator[](size_t i)
    		{ 
    			return _str[i];
    		}
    		size_t size()
    		{ 
    			return strlen(_str);
    		}
    	private:
    		size_t _size;
    		char* _str;
    	};
    	void TestString1()
    	{ 
    		string s1;
    		string s2("hello");
    		for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)
    		{ 
    			std::cout << s2[i] << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;
    		s1 = s2;
    		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
    		{ 
    			std::cout << s1[i] << " ";
    		}
    	}
    }

**测试代码：**

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
    #include"string.h"
    int main()
    { 
    	yyw::TestString1();
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

### 5.现代版的string类 ###

#include<iostream>
    #include<algorithm>
    namespace yyw
    { 
    	class string
    	{ 
    	public:
    		string(const char* str = "")
    			:_str(new char[strlen(str)+1])
    		{ 
    			strcpy(_str, str);
    		}
    
    		string(const string& s)
    			:_str(nullptr)
    		{ 
    			string tmp(s._str);
    			std::swap(_str, tmp._str);
    		}
    
    		string& operator=(const string& s)
    		{ 
    			if (this != &s)
    			{ 
    				string tmp(s._str);
    				std::swap(_str, tmp._str);
    			}
    			return *this;
    		}
    
    		string& operator=(string s)
    		{ 
    			std::swap(_str, s._str);
    			return *this;
    		}
    
    		~string()
    		{ 
    			if (_str)
    			{ 
    				delete[] _str;
    				_str = nullptr;
    			}
    		}
    	private:
    		char* _str;
    	};
    	void TestString1()
    	{ 
    		string s1;
    		string s2("hello");
    		string s3(s2);
    		s1 = s3;
    	}
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

### 6. 写时拷贝(了解) ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzQ0OTE4MDkw_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]  
**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。**

### 7. string类的模拟实现 ###

**测试代码:**

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
    #include"string.h"
    int main()
    { 
    	yyw::TestString1();
    
    	yyw::string s3("hello");
    	yyw::string::iterator it = s3.begin();
    	while (it != s3.end())
    	{ 
    		std::cout << *it << " ";
    		it++;
    	}
    	std::cout << std::endl;
    	for (auto e : s3)
    	{ 
    		std::cout << e << " ";
    	}
    	std::cout << std::endl;
    
    	yyw::TestString2();
    
    	yyw::TestString3();
    	return 0;
    }

**头文件代码：**

#include<iostream>
    #include<assert.h>
    namespace yyw
    { 
    	class string
    	{ 
    	public:
    		typedef char* iterator;
    	public:
    		string(const char* str = "")        //构造函数
    		{ 
    			_size = strlen(str);
    			_capacity = _size;
    			_str = new char[_capacity + 1];
    			strcpy(_str, str);
    		}
    
    		//string s2(s1)
    		string(const string& s)
    			:_str(nullptr)
    			, _size(0)
    			, _capacity(0)
    		{ 
    			string tmp(s._str);
    			this->swap(tmp);
    		}
    
    		//s1=s3
    		string& operator=(const string& s) //(string s)
    		{ 
    			//this->swap(s);
    			string tmp(s._str);
    			this->swap(tmp);
    			return *this;
    		}
    
    		void swap(string &s)
    		{ 
    			std::swap(_str, s._str);
    			std::swap(_size, s._size);
    			std::swap(_capacity, s._capacity);
    		}
    		~string()                         //析构函数
    		{ 
    			if (_str)
    			{ 
    				delete[] _str;
    				_size = _capacity = 0;
    				_str = nullptr;
    			}
    		}
    		
    		//string(const string& s) //拷贝构造
    
    		void push_back(char ch)           //增加字符
    		{ 
    			if (_size == _capacity)      //增加空间
    			{ 
    				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 6 : _capacity * 2;
    				char* tmp = new char[newcapacity + 1];
    				strcpy(tmp, _str);
    				delete[] _str;
    				_str = tmp;
    				_capacity = newcapacity;
    			}
    			_str[_size] = ch;
    			_size++;
    			_str[_size] = '\0';    //_size的位置设置为\0
    		}
    		void append(char* str)     //追加字符串
    		{ 
    			size_t len = strlen(str);
    			if (_size + len > _capacity)   //注意不能按2倍去增容
    			{ 
    				size_t newcapacity = _size + len;
    				char* tmp = new char[newcapacity + 1];
    				strcpy(tmp, _str);
    				delete[] _str;
    				_str = tmp;
    				_capacity = newcapacity;
    			}
    			strcpy(_str + _size, str);
    			_size += len;
    			//_str[_size + len] = '\0'; strcpy已经把\0拷贝过去了
    		}
    
    		//s1+='ch' s1就是this
    		string& operator+=(char ch)
    		{ 
    			this->push_back(ch);
    			return *this;
    		}
    		//s1+="ch" s1就是this
    		string& operator+=(char* ch)
    		{ 
    			this->append(ch);
    			return *this;
    		}
    
    		string& insert(size_t pos, char ch)       //在pos位置插入字符
    		{ 
    			assert(pos <= _size);
    			if (_size == _capacity)
    			{ 
    				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
    				char* tmp = new char[newcapacity + 1];
    				strcpy(tmp, _str);
    				delete[] _str;
    				_str = tmp;
    
    				//delete[] _str; //注意这里不能写反了
    				_capacity = newcapacity;
    			}
    			size_t end = _size;
    			while (end >= (int)pos)
    			{ 
    				_str[end + 1] = _str[end];
    				end--;
    			}
    			_str[pos] = ch;
    			_size++;
    			return *this;
    		}
    		string& insert(size_t pos, char* str)     //在pos位置插入字符串
    		{ 
    			assert(pos < _size);
    			size_t len = strlen(str);
    			if (_size + len>_capacity)
    			{ 
    				size_t newcapacity = _size + len;
    				char* tmp = new char[newcapacity + 1];
    				strcpy(tmp, _str);
    				delete[] _str;
    				_str = tmp;
    				_capacity = newcapacity;
    			}
    			size_t end = _size;
    			while (end >= (int)pos)
    			{ 
    				_str[end + len] = _str[end];   //这里是挪len个不是1个
    				end--;
    			}
    
    			//strncpy也可以
    			//strncpy(_str + pos, str, len);
    			//strcpy会把\0拷贝过去，不可以
    
    			//写个循环从pos依次往后放
    			for (size_t i = 0; i < len; i++)
    			{ 
    				_str[pos] = str[i];
    				pos++;
    			}
    
    			_size += len;
    			//返回自己
    			return *this;
    		}
    
    		string& erase(size_t pos, size_t len=npos)
    		{ 
    			assert(pos < _size);
    			if (len >= _size - pos)
    			{ 
    				_str[pos] = '\0';
    				_size = pos;
    			}
    			else
    			{ 
    				size_t i = pos + len;
    				while (i <= _size)
    				{ 
    					_str[i - len] = _str[i];
    					i++;
    				}
    				_size = _size - len;
    			}
    			return *this;
    		}
    
    		size_t find(char ch, size_t pos)     //在pos位置查找字符
    		{ 
    			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
    			{ 
    				if (_str[i] == ch)
    				{ 
    					return i;
    				}
    			}
    			return npos;
    		}
    		size_t find(char* str, size_t pos)   //在pos位置查找字符串
    		{ 
    			char* p = strstr(_str, str);
    			if (p == NULL)
    			{ 
    				return npos;
    			}
    			else
    			{ 
    				return (p - str);
    			}
    		}
    
    		void resize(size_t newsize, char ch = '\0')  //填充字符ch
    		{ 
    			if (newsize<_size)   //第三种情况
    			{ 
    				_str[newsize] = '\0';
    				_size = newsize;
    			}
    			else 
    			{ 
    				if (newsize > _capacity)   //增加容量
    				{ 
    					size_t newcapacity = newsize;
    					char* tmp = new char[newcapacity];
    					strcpy(tmp, _str);
    					delete[]_str;
    					_str = tmp;
    					_capacity = newcapacity;
    				}
    				for (size_t i = _size; i < newsize; i++)  //把字符ch往_size后面填
    				{ 
    					_str[i] = ch;
    				}
    				_size = newsize;
    				_str[_size] = '\0';
    			}
    		}
    
    		iterator begin()                //iterator迭代器的原理
    		{ 
    			return _str;
    		}
    		iterator end()
    		{ 
    			return (_str + _size);
    		}
    
    		const char* c_str()
    		{ 
    			return _str;
    		}
    
    		char& operator[](size_t i)   //重载[]可以遍历输出字符串，加&是既可以读，也可以写
    		{ 
    			assert(i < _size);
    			return _str[i];
    		}
    		const char& operator[](size_t i) const
    		{ 
    			assert(i < _size);
    			return _str[i];
    		}
    
    		//s1<s s1就是this
    		bool operator<(const string& s)
    		{ 
    			int ret = strcmp(_str, s._str);
    			return ret < 0;
    		}
    		bool operator<=(const string& s)
    		{ 
    			return *this<s || *this == s;
    		}
    		bool operator>(const string& s)
    		{ 
    			return !(*this <= s);
    		}
    		bool operator>=(const string& s)
    		{ 
    			return !(*this < s);
    		}
    		bool operator==(const string& s)
    		{ 
    			int ret = strcmp(_str, s._str);
    			return ret == 0;
    		}
    		bool operator!=(const string& s)
    		{ 
    			return !(*this == s);
    		}
    
    		bool empty()
    		{ 
    			return _size == 0;
    		}
    		size_t size()                   //求字符串的大小
    		{ 
    			return _size;
    		}
    		size_t capacity()              //求字符串的容量
    		{ 
    			return _capacity;
    		}
    
    	private:
    		char* _str;
    		size_t _size;              //已经有多少个有效字符个数
    		size_t _capacity;          //能存多少个有效字符个数 \0不是有效字符，\0是标识结束的字符
    
    		static size_t npos;       //insert用的位置
    	};
    	size_t string::npos = -1;
    
    	std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, string& s) 	//重载输出运算符<<
    	{ 
    		for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
    		{ 
    			std::cout << s[i];
    		}
    		return _out;
    	}
    	std::istream& operator>>(std::istream& _in, string &s)     //重载输入运算符<<
    	{ 
    		//for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) 错误写法
    		//{ 
    		// std::cin >> s[i];
    		//}
    		while (1)
    		{ 
    			char ch;
    			ch = _in.get();
    			if (ch == ' ' || ch == '\n')
    			{ 
    				break;
    			}
    			else
    			{ 
    				s += ch;
    			}
    		}
    		return _in;
    	}
    	//std::istream& operator>>(std::istream& _in, string &s) //重载输入运算符<<
    	//{ 
    	// //for (size_t i = 0; i < s.size(); i++) 错误写法
    	// //{ 
    	// // std::cin >> s[i];
    	// //}
    	// while (1)
    	// { 
    	// char ch;
    	// ch = _in.get();
    	// if ( ch == '\n')
    	// { 
    	// break;
    	// }
    	// else
    	// { 
    	// s += ch;
    	// }
    	// }
    	// return _in;
    	//}
    	void TestString1()
    	{ 
    		string s1;
    		string s2("bit");
    		for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
    		{ 
    			std::cout << s1[i] << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;
    		for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)
    		{ 
    			std::cout << s2[i] << " ";
    		}
    		std::cout << std::endl;
    	}
    	void TestString2()
    	{ 
    		string s1;
    		string s2("bit");
    		std::cout << s1 << std::endl;
    		std::cout << s2 << std::endl;
    
    		s1.push_back('b');
    		std::cout << s1 << std::endl;
    
    		s2.push_back(' ');
    		std::cout << s2 << std::endl;
    
    		s1.append("hha");
    		std::cout << s1 << std::endl;
    		s2.append("education");
    		std::cout << s2 << std::endl;
    
    		s1 += 'a';
    		std::cout << s1 << std::endl;
    		s2 += "a";
    		std::cout << s2 << std::endl;
    
    		s2.insert(1, 'a');
    		std::cout << s2 << std::endl;
    
    		s2.insert(1, "www");
    		std::cout << s2 << std::endl;
    		
    		std::cout << s2.size() << std::endl;
    		std::cout << s2.capacity() << std::endl;
    	}
    	void TestString3()
    	{ 
    		string s1;
    		std::cin >> s1;
    		std::cout << s1 << std::endl;
    	}
    }

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# 总结 #

以上就是今天要讲的内容，本文简单介绍了string类的常见问题和模拟实现，而string类提供了大量能使我们快速便捷地处理数据的函数和方法，非常的便捷，所以我们务必掌握。另外如果上述有任何问题，请懂哥指教，不过没关系，主要是自己能坚持，更希望有一起学习的同学可以帮我指正，但是如果可以请温柔一点跟我讲，爱与和平是永远的主题，爱各位了。  
![在这里插入图片描述][20210708195505102.jpg_pic_center]

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