总言
主要讲述string的模拟实现。
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- 总言
- 1、对构造函数、析构、string::c_str
- 2、对 string::size、string::capacity、string::operator[ ]
- 3、迭代器
- 4、拷贝构造和赋值
- 4.1、拷贝构造和赋值构造的写法1.0
- 4.2、拷贝构造和赋值构造的写法2.0
- 5、增删查改
- 5.1、string::reserve、string::push_back、string::operator+=(char c)
- 5.2、string::append、string::operator+=(const char* s)
- 5.3、string:: insert
- 5.4、string::erase
- 5.5、流插入和流提取
- 5.6、其它接口：比较、substr、resize、find
- 6、其它相关知识
1）、总言
对string类，由于库函数中本身有一个，为了避免冲突，这里我们的处理方式有两种：其一是更改类名称，其二是为我们自己模拟实现的类添加命名空间。
本文章中选择了第二种处理方法：
namespace mystring//命名空间
{class string//我们模拟实现的类
{public:
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
1、对构造函数、析构、string::c_str
1）、模拟实现一：
namespace mystring
{class string
{public:
//string类的构造：
string(const char* str)//传入参数为字符串时
:_str(new char[strlen(str) + 1])//此处+1是多开了一个空间
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{ strcpy(_str, str);
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
注意事项：
①、此处初始化列表中不能直接_str(str)，由于后续涉及string类的增删查改，我们最好采用动态开辟的方式。
②、我们之前学习string类的构造函数时有观察到，string类会为开辟出的对象保留一个位置以便放置’\0’，因此此处我们在动态开辟空间时也要将其考虑进去。
2）、模拟实现二：无参构造
思考上述模拟实现一，有没有发现什么缺陷？
当我们使用是一个无参构造呢？因此此处对于它的实现，我们要么提供一个全缺省的构造，要么在此基础上提供一个无参构造。
先来看一看无参构造的情况：
namespace mystring
{class string
{public:
//string类的构造：
string(const char* str)//传入参数为字符串时
:_str(new char[strlen(str) + 1])//此处+1是多开了一个空间
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{ strcpy(_str, str);
}
//上述显示写法，我们要么提供一个全缺省的构造，要么提供一个无参构造
string()//假如是无参构造
:_str(new char[1])//此处虽然只动态开辟一个空间，但为了方便后续释放，我们一并带上方括号
, _size(0)
,_capacity(0)
{ _str[0] = '\0';//我们初始化定义空对象，其内部也有一个'\0'
}
//string类析构：
~string()
{ delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
}
注意事项：
①_str(new char[1])，此处我们使用new开辟空间时，尽管只申请一个空间，但我们仍然使用了方括号的形式，这是为了后续析构函数方便一次性释放（对string(const char* str)有效、对string()也有效）。
②关于无参构造函数，初始化列表处_str(new char[1])，是否能让_str(nullptr)?
string()//假如是无参构造
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{}
回答：不能。此处原因不在于后续delete释放空指针。（因为delete、free会检查空指针，如果所释放的对象是空指针，那么它们不会做任何处理）。
此处真正错误的原因在于做一些调用返回时，会出错。比如下述情况：
我们模拟实现c_str，根据之前所学，其会指向类中字符存储的指针。
//string函数实现：c_str
const char* c_str()const
{return _str;
}
void test_string1()
{string s1;
cout<< s1.c_str()<< endl;
}
3）、模拟实现三：全缺省构造
在之前学习模拟实现日期类中，我们也表明，写一个带参+无参，不如写一个全缺省方便。那么如果是含有全缺省的string类，该如何实现呢？怎么给值？
示例一：此处能直接给nullptr吗？为什么？
string(const char* str = nullptr)//缺省参数为空指针
:_str(new char[strlen(str)+1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{ strcpy(_str, str);
}
回答：不能。因为strlen直接解引用空指针会崩溃。
示例二：
全缺省下的构造：
string(const char* str = "\0")//一种写法
:_str(new char[strlen(str)+1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{ strcpy(_str, str);
}
但这种写法实际上不严谨，str里实际存储为\0\0。
示例三：
全缺省下的构造：
string(const char* str = "")//另一种写法"" ,常量字符串，以\0结尾。
:_str(new char[strlen(str)+1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{ strcpy(_str, str);
}
4）、模拟实现四：优化说明
针对上述的构造函数，我们发现初始化列表中我们使用了好多次strlen(),要知道strlen使用的效率相对较低，那么有没有什么优化的方式呢？
以下举例了一种写法，问题：这样写能不能做到对strlen的优化？
class string
{public:
string(const char* str = "")
: _size(strlen(str))//先用一次strlen
, _capacity(_size)//对_capacity我们使用_size初始化
, _str(new char[_capacity+1])//此处同理
{ strcpy(_str, str);
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
回答：这种写法是错误的。在类和对象·初始化列表中我们有提到，初始化列表的顺序与声明顺序一致，与初始化列表中定义的顺序无关。
若按照上述方法进行初始化，_capacity为随机值，那么_str在动态开辟空间时会崩溃。
此处需要引申一个话题：抛异常（详细介绍将在后续学习到，此处我们需要先学着使用它）。
int main()
{try {mystring::test_string1();
}
catch (const exception& e)
{cout<< e.what()<< endl;
}
return 0;
}
针对上述问题，一个提出的解决方案是将类中成员变量的顺序调换。但这样子将后续的维护问题与成员变量的顺序关联上了，相对来说不是优解。
5）、模拟实现五：优化说明
针对4)中存在的问题，我们的一个解决方案是，混合使用或者干脆不用初始化列表，直接在函数体内初始化。（string类的三个成员都是内置类型，没有必须在初始化列表完成初始化的要求）
string(const char* str)
{ _size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
2、对 string::size、string::capacity、string::operator[ ]
1）、模拟实现一：
//string函数实现：size()
size_t size()const
{ return _size;
}
//string函数实现：capacity()
size_t capacity()const
{ return _capacity;
}
//string函数实现：operator[]
char& operator[](size_t pos)
{ assert(pos< _size);
return _str[pos];
}
注意事项：
①operator[]我们之前学习时就讲过，下标访问符号其最终要达到读写目的，因此，我们在实现operator[]时不能加const，且必须有&。
演示结果如下：
库中的函数示意图：
根据库函数我们这里最好为operator[]提供两种模式：可读可写&只读
char& operator[](size_t pos)
{ assert(pos< _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos)const
{ assert(pos< _size);
return _str[pos];
}
3、迭代器
1）、模拟实现一：
需要注意的是，迭代器可能是指针，但不一定完全是指针。
//string函数实现：迭代器
typedef char* iterator;
iterator begin()
{ return _str;
}
iterator end()
{ return _str + _size;
}
演示结果如下：我们支持了迭代器，就支持了范围for。
void test_string2()
{//验证迭代器的实现：
string s1("hello string!");
cout<< s1.c_str()<< endl;
string::iterator it=s1.begin();
while (it< s1.end())
{ cout<< *it<< " ";
++it;
}
cout<< endl;
for (auto ch : s1)//持了迭代器，就支持了范围for
{ cout<< ch<< " ";
}
cout<< endl;
}
4、拷贝构造和赋值
总言：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。一般情 况都是按照深拷贝方式提供。
4.1、拷贝构造和赋值构造的写法1.0
1）、拷贝构造之浅拷贝说明：
2）、如何进行深拷贝的说明
深拷贝即需要给对象分配自己单独的资源空间。
演示代码如下：
//深拷贝：
string(const string& s)
:_str(new char[s._capacity + 1])
, _capacity(s._capacity)
, _size(s._size)
{ strcpy(_str, s._str);
}
演示结果如下：
3）、如何进行赋值的说明
接上述演示，假设现在我们有一个s3，要将其赋值给s1，该如何实现？
void test_string3()
{//验证拷贝构造
string s1("hello world.");
string s2(s1);
cout<< s1.c_str()<< endl;
cout<< s2.c_str()<< endl;
//验证赋值
string s3("1111111111 1111111111");
s1 = s3;//如何实现？
}
直接用默认生成的赋值运算符重载可以吗？
回答：不行。
原因：默认生成的赋值运算符重载属于浅拷贝，会让s1指向与s3相同的空间。这样一来存在两大问题：①s1更改指向，原先动态开辟的空间没有被释放，则存在内存泄露的现象。②出了作用域调用析构函数时，同一块空间将释放两次。
那么，如何解决这个问题呢？我们可以仿照拷贝构造一样，单独开辟一份资源空间。
赋值运算符重载·传统
string& operator=(const string& s)
{ if (this != &s)
{ delete[] _str;
_str = new char[s._capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}
写法分析：
①s1 = s3;虽然我们可以在s1空间足够充裕时不释放而是直接交换内部数据，但我们会面临s1空间不足，或s1空间远大于s3的情况，因此不如统一路径先释放s1后开辟新空间。
②如果直接使用_delete[ ] _str，new失败了会将原数据释放，所以先使用一个tmp临时变量完成拷贝，确定new成功再说。(当然此处不这样也行，new失败了本来就要抛异常)。但一种相对比较提倡的写法如下：先开辟空间，再交换数据：
string& operator=(const string& s)
{ if (this != &s)//4
{ char*tmp = new char[s._capacity + 1];//3
strcpy(tmp, s._str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;//5
}
③new char[s._capacity + 1]多开辟一个空间是留给\0，因为_size和_capacity不计预留的\0。
④if (this != &s)if语句：此处考虑到的是自己赋值给自己的情况。如果不加if判断语句，那相当于先把s1释放了，再用s1赋值给s1。
⑤return *this;this指针指向对象的地址，此处需要返回的是对象本身，故需要对this指针解引用。
4.2、拷贝构造和赋值构造的写法2.0
1）、一个错误的写法说明
赋值运算符重载·自写·错误
string& operator=(const string& s)
{ if (this != &s)
{ string tmps(s);
swap(tmps._str, _str);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
delete[] tmps._str;//对随机空间进行了析构
}
return *this;
}
错误说明：
①string tmps(s);此处相当于在拷贝构造函数中使用了拷贝构造。正确写法应该是去调用构造函数：string tmps(s._str);
②delete[] tmps._str;此处存在两个问题，其一是tmp是临时对象，出了函数作用域会自动调用其析构函数。那这里相当于析构了两次。
③接②，就算我们把上面的delete[] tmps._str;删除，仍旧会存在报错。因为我们在做的是拷贝构造，假如我先定义string s1;再赋值s1=s3;由于s1未初始化，与tmp交换后，tmp得到该处的随机值。那么同样的，临时变量tmp出作用域调用对应的析构函数，会导致delete因释放随机空间而崩溃。（解决方法是为s1设置初始化列表）。
2）、拷贝构造和赋值运算符现代写法说明
string(const string& s)
:_str(nullptr)
,_capacity(0)
,_size(0)
{ string tmps(s._str);
swap(tmps._str, _str);
swap(tmps._size, _size);
swap(tmps._capacity, _capacity);
解释说明：1、此处为s2初始化，是为了后续与tmp做成员交换。在没有初始化时，s2为随机值，与tmp交换后，tmp得到该随机值，但由于tmp是临时变量，出了作用域要销毁，会调用对应的析构函数，会导致delete在释放随机空间时崩溃。(delete释放nullptr不会崩溃)
:_str(nullptr)
,_capacity(0)
,_size(0)
继续优化：
1、string类中也有一个成员函数swap。
2、此处使用了域作用限定符，前面为空白表示全局域。若不加该限定符，编译器会先在局部域中找，结果局部域中有swap，编译器会认为自己调用自己，而且此处局部域中参数不匹配。
string函数实现：swap
void swap(string& tmps)
{ ::swap(tmps._str, _str);
::swap(tmps._size, _size);
::swap(tmps._capacity, _capacity);
}
拷贝构造：
string(const string& s)
:_str(nullptr)
,_capacity(0)
,_size(0)
{ string tmps(s._str);
swap(tmps);//解释：this->swap(tmps)；
}
3、swap(tmps);拷贝构造中，此处先调用string类里的swap，string类中swap调用全局的swap。
同理可得赋值运算符重载：
string& operator=(const string& s)
{ if (this!=&s)
{ //string tmps(s._str);//调用构造
string tmps(s);//调用拷贝构造
swap(tmps);
}
return *this;
}
1、此处两种写法都可以，前者使用的是构造函数，后者使用的是拷贝构造(使用后者的前提是我们自己实现了拷贝构造)
2、此处做得很绝的一点是，出了作用域tmp销毁调用析构，就顺带把s1原先空间给释放掉了。不需要我们手动写delete.
3、关于是否可以写swap(*this,tmps)，即使用库里的全局swap？回答：不可以，库里的全局swap实际是个模板，假如我们在赋值运算符重载中使用它，库里的swap又在其内部使用了赋值运算符重载，那么此处会造成死循环。
此外:调用string类里swap，根据我们的实现，此处只是简单的内置类型的交换，若使用全局库中的swap，则连同地址也会一并被换掉。
//string函数实现：swap
void swap(string& tmps)
{ ::swap(tmps._str, _str);
::swap(tmps._size, _size);
::swap(tmps._capacity, _capacity);
}
void test_string4()
{string s1("hello world");
string s2("XXXXXXX");
s1.swap(s2);//调用string类里swap：直接交换内部成员变量
swap(s1, s2);//调用全局库中的swap：会去掉拷贝构造。
}
折回上述问题，我们再来简化一下此处的赋值运算符重载：
直接使用传值传参，省掉了tmp。相对更为精髓。
string& operator=(string s)
{ swap(s);
return *this;
}
5、增删查改
5.1、string::reserve、string::push_back、string::operator+=(char c)
1）、库函数中声明回顾：
2）、模拟实现
void reserve(size_t n)
{ if (n>_capacity)
{ //开空间：
char* tmp = new char[n + 1];//n个有效空间，一个\0空间
//拷贝值：
strcpy(tmp, _str);
//释放旧空间：
delete[]_str;
//重新给定指向：
_str = tmp;
_capacity = n;//注意别忘记，另reserve里只是对_capacity做了修改，不会变动_size。
}
}
void push_back(char ch)
{ //检查扩容：
if (_size == _capacity)
{ reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
//此处三目运算符是为了预防构造时参数为空的情况。
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';//注意此处别忘了放置\0
}
string& operator+=(char ch)
{ push_back(ch);
return *this;
}
演示结果如下：
5.2、string::append、string::operator+=(const char* s)
1）、库函数中声明回顾：
2）、模拟实现append 1.0
void append(const char* str)
{ //append仍旧需要扩容检查，只是其是在尾部追加字符串而非字符
size_t len = strlen(str);
if (_size + len >_capacity)
{ //此处我们不能直接仿照push_back中的写法进行二倍扩容等。
//所以我们干脆使用reserve重定义存储空间：
reserve(_size + len);
}
//尾插字符串：
strcpy(_str+_size, str);
//修改属性:
_size += len;
//此处_capacity我们在使用reserve时做了处理。
}
此处strcpy(_str + _size, str);若换为strcat(_str, str)可以吗？
回答是可以，但是strcat追加需要找\0，相率相对较低。
演示结果如下：
既然实现了上述append功能，我们自然而然可以利用它们实现以下接口：
string& operator+=(const char* str)
{ append(str);
return *this;
}
void append(const string& s)
{ append(s._str);
}
void append(size_t n, char ch)
{ reserve(_size + n);//提前开辟充裕空间
for (int i = 0; i< n; i++)
{ push_back(ch);
}
}
5.3、string:: insert
1）、库函数中声明回顾：
我们主要模拟实现下列这两个。
2）、模拟实现insert 1.0
string& insert(size_t pos, char ch)
{ //首先要断言一下插入的位置:pos需要合法
//此处涉及的一个问题是边界问题：_size位置处能否插入？事实上只要我们处理好最后的收尾工作即可。
assert(pos<= _size);
//扩容检查：
if (_size == _capacity)
{ reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
//数据插入：向后挪动数据，从后往前遍历
size_t end = _size;
while (end >= pos)
{ _str[end + 1] = _str[end];
--end;
}
_str[pos] = ch;
//收尾处理：
++_size;
_str[_size] = '\0';
return *this;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};
演示结果如下：
2）、模拟实现insert 2.0
针对1.0版本，是否存在什么问题？
//数据插入：向后挪动数据，从后往前遍历
size_t end = _size;
while (end >= pos)
{ _str[end + 1] = _str[end];
--end;
}
_str[pos] = ch;
看看上述代码，如果pos位置在0处，那么头插会存在问题。若end是int类型数据，那么end=-1时退出循环。这不是正确的吗？但问题是上述代码中end值是size_t无符号整型。-1对应的无符号数是一个很大的值，因此才说此处会陷入死循环中。
所以提出了如下解决方案：如图。
接上图，又有提出那么我们把pos的类型修改了吧。
这种做法行得通，但是事实上我们观察库函数里的pos，其提供的都是size_t类型。而且这里还会有一个问题：pos本意指代下标，使用int类型的pos，万一传入的是负数呢？
PS：这里也解释了为什么assert(pos<= _size);不检查<0的情况，因为pos为无符号整型。
综上所述，这里我们建议将end初始值置成_size+1，如下述演示:
/insert插入：版本2.0
string& insert(size_t pos, char ch)
{ //首先要断言一下插入的位置:pos需要合法
//此处涉及的一个问题是边界问题：_size位置处能否插入？事实上只要我们处理好最后的收尾工作即可。
assert(pos<= _size);
//扩容检查：
if (_size == _capacity)
{ reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
//数据插入：
size_t end = _size+1;
while (end >pos) //理解：end-1 >= pos → end>=pos+1 → end >pos
{ _str[end] = _str[end-1];//步骤一：向后挪动数据，从后往前遍历
--end;
}
_str[pos] = ch;//步骤二：插入数据ch
//收尾处理：
++_size;
_str[_size] = '\0';
return *this;
}
演示结果如下：
3）、模拟实现insert 3.0
假如是插入字符串呢？代码如下：
string& insert(size_t pos, const char* str)
{ assert(pos<= _size);
size_t len = strlen(str);
if (len + _size >_capacity)
{ reserve(len + _size);
}
size_t end = _size + len;
while (end >= pos + len)//等价于 end >pos + len -1;
{ _str[end] = _str[end - len];
--end;
}
strncpy(_str + pos, str,len);
_size += len;
_str[_size ] = '\0';
return *this;
}
演示结果如下：
同理可修改其它：
写法2.0
void push_back(char ch)
{ insert(_size, ch);
}
写法2.0
void append(const char* str)
{ insert(_size, str);
}
5.4、string::erase
1）、库函数中声明回顾：
2）、模拟实现：
演示代码如下：
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{ assert(pos<= _size);
//不需要挪动数据的情况：
if (len == npos || len + pos >_size)
{ _str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{ //需要挪动数据的情况：
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}
演示结果如下：
5.5、流插入和流提取
不是所有的流插入、流提取都需要设置为友元。我们在日期类中使用了友元是因为涉及访问私有成员。而string类中我们完全可以使用下标来实现这一功能。
1）、模拟实现1.0：
演示代码如下：
ostream& operator<<(ostream& cou, const string& s)
{for (size_t i = 0; i< s.size(); ++i)
{ cou<< s[i];
}
return cou;
}
istream& operator>>(istream& ci, string& s)
{char ch;
ch = ci.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{ s += ch;
ch = ci.get();
}
return ci;
}
2）、模拟实现2.0：
上述流提取中，若输入字符串很长，不断+=会频繁扩容，效率很低，因此我们可以优化一下 ：
istream& operator>>(istream& ci, string& s)
{char ch;
ch = ci.get();
//用于优化流插入：
const int N = 32;//常量数组
char buff[N];
size_t i = 0;
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{ buff[i++] = ch;//先将插入字符放入数组中
if (i == N - 1)//若字符放满，则一次性挪动到string类中
{ buff[N] = '\0';//留一个位置给'\0'
s += buff;
i = 0;//注意需要将i置回0以便下一轮使用
}
ch = ci.get();
}
//这是为最后一轮作处理:若ch读到\n或''，则跳出while循环，那么残余部分没有被放入string类中
buff[i] = '\0';
s += buff;
return ci;
}
同理，对于流插入，仍旧有一些细节：
如上图所示：假如类原先就有字符，那么cin后在标准库中会被覆盖，针对这一问题，我们可在类中实现一个clear函数：
void clear()
{ _str[0] = '\0';
_size = 0;
}
istream& operator>>(istream& ci, string& s)
{s.clear();
char ch;
ch = ci.get();
//用于优化流插入：
const int N = 32;//常量数组
char buff[N];
size_t i = 0;
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{ buff[i++] = ch;//先将插入字符放入数组中
if (i == N - 1)//若字符放满，则一次性挪动到string类中
{ buff[N] = '\0';//留一个位置给'\0'
s += buff;
i = 0;//注意需要将i置回0以便下一轮使用
}
ch = ci.get();
}
//这是为最后一轮作处理:若ch读到\n或''，则跳出while循环，那么残余部分没有被放入string类中
buff[i] = '\0';
s += buff;
return ci;
}
5.6、其它接口：比较、substr、resize、find
string substr(size_t pos, size_t len = npos)const
{ assert(pos< _size);
size_t reallen = npos;//是为了记录真实取得的字符长度
if (len == npos || len + pos >_size)
{ reallen = _size - pos;
}
string tmp;
for (size_t i = 0; i< reallen; i++)
{ tmp += _str;
}
}
size_t find(char ch, size_t pos = 0)const
{ assert(pos< _size);
for (size_t i = pos; i< _size; i++)
{ if (_str[i] == ch)
return i;//若找到对应字符，则返回下标
}
return npos;//若找不到，则返回npos
}
size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)const
{ const char*p =strstr(_str + pos, sub);//此处为暴力匹配，其它匹配方法：kmp/bm
if (p != nullptr)
{ return npos;
}
else { return p - _str;
}
}
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{ if (n >_size)
{ //开辟空间，插入数据
reserve(n);
for (size_t i = _size; i< n; ++i)
{_str[i] = ch;
}
_str[n] = '\0';
_size += n;
}
else
{ //删除数据
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}
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);
}
6、其它相关知识
1、vs下string类内存大小设置
2、其它string类实现方案
3、引用计数和写时拷贝。
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