C++_String增删查改模拟实现

前言
一、string默认构造、析构函数、拷贝构造、赋值重载
- 1.1 默认构造
- 1.2 析构函数
- 1.3 拷贝构造
- 1.4 赋值重载
二、迭代器和范围for
三、元素相关：operator[ ]
四、容量相关：size、resize、capacity、reserve
- 4.1 size、capacity
- 4.2 reserve
- 4.3 resize
五、数据相关：push_bach、append、operator+=、insert、erase
- 5.1 尾插：push_back
- 5.2 append尾部插入字符串
- 5.3 operator+=()字符、字符串
- 5.4 insert插入字符、字符串
- - 5.4.1 insert插入字符（在这提醒下，博主是所有的拷贝数据都是从'\0'开始，这样就不需要单独对'\0'做处理）
  - - 初学者最容易范的一个错误
  - 5.4.2 insert插入字符串
- 5.5 erase
六、关系操作符重载：< 、 ==、 <=、 >、>=、!=
七、find查找字符、字符串、substr
- 7.1 find查找字符
- 7.2 find查找字符串
- 7.3 strsub( ) 模拟实现
八、流插入和流提取（<<、>>）(实现在string类外)
- 8.1 流插入<<
- 8.1 流提取>>
- - 优化
九、所有代码

前言

本篇博客仅仅实现存储字符的string。同时由于C++string库设计的不合理，博主仅实现一些最常见的增删查改接口！
接下来给出的接口都是基于以下框架：

namespace achieveString
{
	class string
	{

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

一、string默认构造、析构函数、拷贝构造、赋值重载

1.1 默认构造

博主在这仅仅提供如无参和带参默认构造接口：

//无参默认构造
string()
	:_str(new char[1]{'\0'})
	,_capacity(0)
	,_size(0)
{ }
//带参默认构造
string(const char* str = "")
	:_capacity(strlen(str))
	,_size(_capacity)
{
	_str = new char[_capacity + 1];
	strcpy(_str, str);
}

小tips：

C++string标准库中，无参构造并不是空间为0，直接置为空指针。而是开一个字节，并存放‘\0’。（C++中支持无参构造一个对象后，直接在后面插入数据，也从侧面说明了这点）
由于C++构造函数不管写不写都会走初始化列表的特性，所以这里博主也走初始化列表。
string中，_capacity和_size都不包含空指针，所以带参构造要多开一个空间，用来存储’\0’。

1.2 析构函数

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

1.3 拷贝构造

传统写法：

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

现代写法：现代写法的核心在于：将拷贝数据的工作交给别人来做，最后将成果交换一样即可。

//交换
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}

//现代写法
string(const string& s)
	:_str(nullptr)
	,_size(0)
	,_capacity(0)
{
	string tmp(s._str);
	swap(tmp);
}

tips：现代写法中，拷贝构造是数据需初始化为空。原因在于C++中，编译器对内置类型不会做处理（个别如vs2019等编译器会做处理的），这也就意味这_str是一个随机值，指向任意一块空间。调用析构函数时会报错。

1.4 赋值重载

赋值重载同样分为传统写法和现代写法。
传统写法：

string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		char* tmp = new char[s._capacity + 1];
		strcpy(tmp, s._str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_size = s._size;
		_capacity = s._capacity;
	}
	return *this;
}

现代写法：

//现代写法
//法一
/*string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		string tmp(s._str);
		swap(tmp);
	}
	return *this;
}*/

//法二
string& operator=(string tmp)
{
	swap(tmp);
	return *this;
}

二、迭代器和范围for

在C++中，范围for在底层是通过迭代器来实现的。所以只要实现了迭代器，就支持范围for。
而迭代器类似于指针，迭代器可以被看作是指针的一种泛化，它提供了类似指针的功能，可以进行解引用操作、指针运算等。

以下提供了const迭代器和非const迭代器：

typedef char* iterator;
const typedef char* const_iterator;

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

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

三、元素相关：operator[ ]

这里我们和库中一样，提供以下两个版本

//可读可写
char operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}
//只读
const char operator[](size_t pos)const
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}

四、容量相关：size、resize、capacity、reserve

4.1 size、capacity

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

4.2 reserve

在C++中，我们一般不缩容。
所以实现reserve时（容量调整到n），首先判断目标容量n是否大于当前容量。如果小于就不做处理，否则先开辟n+1个内存空间（多出来的一个用于存储‘\0’），然后将原有数据拷贝到新空间（strcpy会将’\0’一并拷贝过去）。然后释放就空间，并让_str指向新空间，同时更新_capacity。

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

4.3 resize

resize到目标大小分为以下3中情况：
在这里插入图片描述

当n<_size时，只需将下标为n的地址处的数据改为’\0’。
其他情况，我们直接统一处理。直接复用reserve()函数将_capacity扩到n。然后用将[_size, n)中的数据全部初始化为ch。（这里博主给ch一个初始值’\0’，但ch不一定为’\0’，所以要将下标为n处的地址初始化为’\0’）

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

五、数据相关：push_bach、append、operator+=、insert、erase

5.1 尾插：push_back

尾插首先检查扩容，在插入数据

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

}

5.2 append尾部插入字符串

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

5.3 operator+=()字符、字符串

operator+=()字符、字符串可以直接复用push_back和append。

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

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

5.4 insert插入字符、字符串

5.4.1 insert插入字符（在这提醒下，博主是所有的拷贝数据都是从’\0’开始，这样就不需要单独对’\0’做处理）

insert插入字符逻辑上还是很简单的。
首先判断插入字符时是否需要扩容。然后从下标为pos开始，所有数据依次往后挪动。最后将待插入字符给到pos处即可。

初学者最容易范的一个错误

但对于初学者来说，貌似也不太轻松。。。。。。
下面给出各位初学者容易犯的错误：

void insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	//扩容
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	//挪动数据
	size_t end = _size;
	while (end >= pos)
	{
		_str[end+1] = _str[end];
		end--;
	}
	_str[pos] = ch;
	_size++
}

这样对吗？答案是错误的。

假设是在头插字符，end理论上和pos(即0)比较完后就减到-1，在下一次循环条件比较时失败，退出循环。
遗憾的是end是size_t类型，始终>=0, 会导致死循环。

博主在这给出两种解决方法：

将pos强转为整型。

void insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	//扩容
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	//挪动数据
	int end = _size;
	while (end >= (int)pos)
	{
		_str[end+1] = _str[end];
		end--;
	}
	_str[pos] = ch;
	_size++
}

2.从end从最后数据的后一位开始，每次将前一个数据移到当前位置。最后条件判断就转化为end>pos，不会出现死循环这种情况。
在这里插入图片描述

void insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	//扩容
	if (_size == _capacity)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	//挪动数据
	size_t end = _size+1;
	while (end > pos)
	{
		_str[end] = _str[end-1];
		end--;
	}
	//插入数据，更新_size
	_str[pos] = ch;
	_size++;
}

5.4.2 insert插入字符串

insert同样存在相同问题，并且思路一样。博主就直接给出代码了。
法一：

void insert(size_t pos, const char* str)
{
	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len);
	}

	int end = _size;
	while (end >= (int)pos)
	{
		_str[end + len] = _str[end];
		end--;
	}
	strncpy(_str + pos, str, len);
	_size += len;
}

法二：

void insert(size_t pos, const char* str)
{
	int len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len);
	}
	
	size_t end = _size+1;
	while (end > pos)
	{
		_str[end + len-1] = _str[end-1];
		end--;
	}
	strncpy(_str + pos, str, len);
	_size += len;
}

5.5 erase

erase分两种情况：

从pos开始，要删的数据个数超过的字符串，即将pos后序所有数据全部情况。（直接将pos处数据置为’\0’即可）
从pos开始，要删的数据个数没有超出的字符串。所以只需要从pos+len位置后的所有数据向前移动从pos位置覆盖原数据即可。

void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
	if (len==npos || pos + len >= _size)
	{
		//有多少，删多少
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		size_t begin = pos + len;
		while (begin <= _size)
		{
			_str[begin - len] = _str[begin];
			begin++;
		}
		_size -= len;
	}
}

六、关系操作符重载：< 、 ==、 <=、 >、>=、!=

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);
}

七、find查找字符、字符串、substr

7.1 find查找字符

size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{
	for (size_t i = pos; i < _size; i++)
	{
		if (_str[i] == ch)
		{
			return i;
		}
	}

	return npos;
}

7.2 find查找字符串

size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)
{
	const char* p = strstr(_str + pos, sub);
	if (p)
	{
		return p - _str;
	}
	else
	{
		return npos;
	}
}

7.3 strsub( ) 模拟实现

strsub目标长度可能越界string，也可能还有没有。但不管是那种情况，最后都需要拷贝数据。所以这里我们可以先将len真实长度计算出来，在拷贝数据。

string substr(size_t pos, size_t len = npos)const
{
	string s;
	size_t end = pos + len;
	//目标字符越界string,更新len
	if (len == npos || end >= _size)
	{
		len = _size - pos;
		end = _size;
	}
	
	//拷贝数据
	s.reserve(len);
	for (size_t i = pos; i < end; i++)
	{
		s += _str[i];
	}

	return s;
}

八、流插入和流提取（<<、>>）(实现在string类外)

8.1 流插入<<

由于前面我们实现了迭代器，所以最简单的方式就是范围for

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	/*for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
	{
		out << s[i];
	}*/
	for (auto ch : s)
		out << ch;

	return out;
}

8.1 流提取>>

流提取比较特殊。在流提取前需要将原有数据全部清空。同时由于>>无法获取空字符和换行符()(都是作为多个值之间的间隔)，直接流提取到ostream对象中，没法结束。（类似于C语言中scanf, 换行符和空字符仅仅只是起到判断结束的作用，但scanf无法获取到它们）
所以这里博主直接调用istream对象中的get()函数。（类似于C语言中的getchar()函数）
get详细文档
在这里插入图片描述

class string
{
	void clear()
	{
		_str[0] = '\0';
		_size = 0;
	}
private:
	char* _str;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();
		char ch;
		//in >> ch;
		ch = in.get();

		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			s += ch;
			//in >> ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}

上面这种方法虽然可以达到目的。但还有一个问题，每次插入数据都面临可扩容问题。那如何优化呢？

优化

其中一种办法就是调用reserve()提前开好空间，但这样面临这另一个问题：开大了浪费空间；开小了，同样面临这扩容的问题。
所以在这博主采用和vs底层实现的思路：首先开好一段数组（包含’\0’，以16为例）。当数据个数小于16时，字符串存在数组中；当数据个数大于等于16时，将数据存在_str指向的空间。
这是一种以空间换时间的思路，同时也能很好的减少内存碎片的问题。

class string
{
	void clear()
	{
		_str[0] = '\0';
		_size = 0;
	}
private:
	char* _str;
	size_t _capacity;
	size_t _size;
};

istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();

	char buff[16];
	size_t i = 0;

	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[i++] = ch;
		if (i == 16)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
			i = 0;
		}
	ch = in.get();
	}

	if (i != 0)
	{
		buff[i] = '\0';
		s += buff;
	}
	return in;
}

九、所有代码

namespace achieveString
{
	class string
	{
	public:
	typedef char* iterator;
	const typedef char* const_iterator;

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

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

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

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

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

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

		//交换
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}

		//现代写法
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
			,_size(0)
			,_capacity(0)
		{
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}

		// 赋值重载
		/*string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				char* tmp = new char[s._capacity + 1];
				strcpy(tmp, s._str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_size = s._size;
				_capacity = s._capacity;
			}
			return *this;
		}*/
		//现代写法
		//法一
		/*string& operator=(const string& s)
		{
			if (this != &s)
			{
				string tmp(s._str);
				swap(tmp);
			}
			return *this;
		}*/
		//法二
		string& operator=(string tmp)
		{
			swap(tmp);
			return *this;
		}

		//可读可写
		char operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}
		//只读
		const char operator[](size_t pos)const
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

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

		bool empty()const
		{
			return _size == 0;
		}

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

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

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

		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_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, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			//扩容
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
			}
			//挪动数据
			size_t end = _size+1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end] = _str[end-1];
				end--;
			}
			//插入数据，更新_size
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}
		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			int len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}

			//法一
			/*int end = _size;
			while (end >= (int)pos)
			{
				_str[end + len] = _str[end];
				end--;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;*/

			//法二
			size_t end = _size+1;
			while (end > pos)
			{
				_str[end + len-1] = _str[end-1];
				end--;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}

		void erase(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			if (len==npos || pos + len >= _size)
			{
				//有多少，删多少
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				size_t begin = pos + len;
				while (begin <= _size)
				{
					_str[begin - len] = _str[begin];
					begin++;
				}
				_size -= len;
			}
		}
		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);
		}

		size_t find(char ch, size_t pos = 0)
		{
			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
					return i;
			}
			return npos;
		}

		size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)
		{
			const char* p = strstr(_str + pos, sub);
			if (p)
			{
				return p - _str;
			}
			else
			{
				return npos;
			}
		}

		string substr(size_t pos, size_t len = npos)
		{
			string s;
			size_t end = pos + len;
			if (len == npos || end >= _size)
			{
				len = _size - pos;
				end = _size;
			}
			
			s.reserve(len);
			for (size_t i = pos; i < end; i++)
			{
				s += _str[i];
			}

			return s;
		}
		void clear()
		{
			_str[0] = '\0';
			_size = 0;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _capacity;
		size_t _size;

		//const static size_t npos = -1;  // C++支持const整型静态变量在声明时给值初始化，但不建议
		//const static double npos = 1.1;  // 不支持

		const static size_t npos;
	};
	const size_t string::npos = -1;

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		/*for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
		{
			out << s[i];
		}*/
		for (auto ch : s)
			out << ch;

		return out;
	}

	//istream& operator>>(istream& in, string& s)
	//{
	//	s.clear();
	//	char ch;
	//	//in >> ch;
	//	ch = in.get();

	//	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	//	{
	//		s += ch;
	//		//in >> ch;
	//		ch = in.get();
	//	}
	//	return in;
	//}

	istream& operator>>(istream& in, string& s)
	{
		s.clear();

		char buff[16];
		size_t i = 0;

		char ch;
		ch = in.get();
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			buff[i++] = ch;
			if (i == 16)
			{
				buff[i] = '\0';
				s += buff;
				i = 0;
			}
			ch = in.get();
		}

		if (i != 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}

		return in;
	}
}