string类的介绍与使用【C++】

string类

前言
一、为什么学习string类
- C语言中的字符串
- 示例
二、标准库中的string类
- string类
- string类的常用接口说明
- - string类对象的常见构造
  - string类对象的容量操作
  - string的接口测试及使用
  - string类对象的访问及遍历操作
  - - 下标和方括号遍历
    - 范围for遍历
    - 迭代器遍历
    - 相同的代码，在不同的编译器有不同的空间
  - string类对象的修改操作
  - string类非成员函数
  - vs和g++下string结构的说明
  - 示例
  - - 例一
    - 例二
    - 例三
    - 例四
    - 例五
    - 其他
三、string类的模拟实现
- 经典的string类问题
- 浅拷贝
- 深拷贝
- - 传统版写法的String类
  - 现代版写法的String类
- 写时拷贝
- string类的模拟实现
四、扩展
- 文章
- sort
- vs编译器string的扩容
- - 总结
  - - 扩容优化
    - 留存空间
- g++编译器string的扩容
- capacity（）
- reserve()
- resize（）
- shrink_to_fit
- at
- insert
- erase
- npos
- 解决c++默认遇到空格和换行就结束的问题
- - getline()
  - 循环
- to_string
- stoi

前言

string 类是编程语言中用于表示和操作字符串的基本数据类型或类。它提供了一系列方法和操作，允许开发者对字符串进行创建、修改、查找、比较、转换等。string 类通常具有不可变性，意味着一旦创建了字符串对象，其内容就不能被修改，但可以创建新的字符串对象来表示修改后的内容。这种特性有助于在多线程环境中保持数据的安全性。string 类还提供了各种构造函数、操作符重载和格式化功能，使字符串操作更加灵活和高效。

在C++中，string类函数的长度范围可以是非法的，但不建议用。

一、为什么学习string类

C语言中的字符串

C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

示例

把字符串转换成整数
字符串相加

在OJ中，有关字符串的题目基本以string类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数。

二、标准库中的string类

string类

string类的文档介绍

字符串是表示字符序列的类
标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。

总结

string是表示字符串的字符串类
该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
string在底层实际是：basic_string模板类的别名t

typedef basic_string<char, char_traits, allocator>
string;

不能操作多字节或者变长字符的序列。

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

string类的常用接口说明

string类对象的常见构造

函数名称（constructor）	功能说明
`string()`	构造空的`string`类对象，即空字符串
`string(const char* s)`	用`C-string`来构造`string`类对象
`string(size_t n, char c)`	`string`类对象中包含`n`个字符`c`
`string(const string&s)`	拷贝构造函数

void Teststring()
{
	string s1; // 构造空的string类对象s1
	string s2("hello bit"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
	string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty	检测字符串释放为空串，是返回`true`，否则返回`false`
clear	清空有效字符
reserve	为字符串预留空间**
resize	将有效字符的个数该成`n`个，多出的空间用字符`c`填充

在C++中，string类有两个成员函数size()和length()，它们都用于返回字符串的长度，但它们之间没有区别，可以互换使用。这是因为C++标准库中的string类是基于字符数组实现的，它们都返回的是存储在string对象中的字符个数。因此，在C++中，size()和length()函数可以互相替代使用，没有区别。

string的接口测试及使用

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
using namespace std;

#include <string>


// 测试string容量相关的接口
// size/clear/resize
void Teststring1()
{
	// 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出
	string s("hello, bit!!!");
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.length() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;

	// 将s中的字符串清空，注意清空时只是将size清0，不改变底层空间的大小
	s.clear();
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;

	// 将s中有效字符个数增加到10个，多出位置用'a'进行填充
	// “aaaaaaaaaa”
	s.resize(10, 'a');
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;

	// 将s中有效字符个数增加到15个，多出位置用缺省值'\0'进行填充
	// "aaaaaaaaaa\0\0\0\0\0"
	// 注意此时s中有效字符个数已经增加到15个
	s.resize(15);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;

	// 将s中有效字符个数缩小到5个
	s.resize(5);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
	cout << s << endl;
}

//====================================================================================
void Teststring2()
{
	string s;
	// 测试reserve是否会改变string中有效元素个数
	s.reserve(100);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;

	// 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小
	s.reserve(50);
	cout << s.size() << endl;
	cout << s.capacity() << endl;
}

// 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销
//====================================================================================
void TestPushBack()
{
	string s;
	size_t sz = s.capacity();
	cout << "making s grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}

// 构建vector时，如果提前已经知道string中大概要放多少个元素，可以提前将string中空间设置好
void TestPushBackReserve()
{
	string s;
	s.reserve(100);
	size_t sz = s.capacity();

	cout << "making s grow:\n";
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << '\n';
		}
	}
}



// string的遍历
// begin()+end()   for+[]  范围for
// 注意：string遍历时使用最多的还是for+下标 或者 范围for(C++11后才支持)
// begin()+end()大多数使用在需要使用STL提供的算法操作string时，比如：采用reverse逆置string
void Teststring3()
{
	string s1("hello Bit");
	const string s2("Hello Bit");
	cout << s1 << " " << s2 << endl;
	cout << s1[0] << " " << s2[0] << endl;

	s1[0] = 'H';
	cout << s1 << endl;

	// s2[0] = 'h';   代码编译失败，因为const类型对象不能修改
}

void Teststring4()
{
	string s("hello Bit");
	// 3种遍历方式：
	// 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，
	// 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多
	// 1. for+operator[]
	for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		cout << s[i] << endl;

	// 2.迭代器
	string::iterator it = s.begin();
	while (it != s.end())
	{
		cout << *it << endl;
		++it;
	}

	// string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	// C++11之后，直接使用auto定义迭代器，让编译器推到迭代器的类型
	auto rit = s.rbegin();
	while (rit != s.rend())
		cout << *rit << endl;

	// 3.范围for
	for (auto ch : s)
		cout << ch << endl;
}


//
// 测试string：
// 1. 插入(拼接)方式：push_back  append  operator+= 
// 2. 正向和反向查找：find() + rfind()
// 3. 截取子串：substr()
// 4. 删除：erase
void Teststring5()
{
	string str;
	str.push_back(' ');   // 在str后插入空格
	str.append("hello");  // 在str后追加一个字符"hello"
	str += 'b';           // 在str后追加一个字符'b'   
	str += "it";          // 在str后追加一个字符串"it"
	cout << str << endl;
	cout << str.c_str() << endl;   // 以C语言的方式打印字符串

	// 获取file的后缀
	string file("string.cpp");
	size_t pos = file.rfind('.');
	string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));
	cout << suffix << endl;

	// npos是string里面的一个静态成员变量
	// static const size_t npos = -1;

	// 取出url中的域名
	string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");
	cout << url << endl;
	size_t start = url.find("://");
	if (start == string::npos)
	{
		cout << "invalid url" << endl;
		return;
	}
	start += 3;
	size_t finish = url.find('/', start);
	string address = url.substr(start, finish - start);
	cout << address << endl;

	// 删除url的协议前缀
	pos = url.find("://");
	url.erase(0, pos + 3);
	cout << url << endl;
}

int main()
{
	return 0;
}

注意：

size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。
注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[ ]	返回`pos`位置的字符，`const string`类对象调用
begin + end	`begin`获取一个字符的迭代器 + `end`获取最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin+rend	`rbegin`获取最后一个字符的迭代器 + `rend`获取第一个字符位置的迭代器
范围`for`	C++11支持更简洁的范围`for`的新遍历方式

ps: c++重载两个operator[],为什么不会报错呢？是因为外部const的存在导致两个重载参数不一样，构成函数重载

在这里插入图片描述

下标和方括号遍历

以下是一个使用C ++的示例，使用下标和方括号来遍历string类的示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str = "Hello, World!";

    // 使用下标和方括号遍历string类
    for (int i = 0; i < str.length(); i++) {
        std::cout << str[i] << std::endl;
    }

    return 0;
}

这段代码创建了一个名为str的字符串，其中包含“Hello, World！”的文本。然后，使用for循环遍历字符串中的每个字符。循环变量i从0开始，直到字符串的长度（使用str.length()获得）。在循环体中，通过str[i]使用下标和方括号来访问字符串中的字符，并使用std::cout将其打印到控制台上。

范围for遍历

以下是一个示例，演示了如何使用for循环遍历字符串，并将每个字符打印出来：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 一个字符串示例
    std::string myString = "Hello, World!";

    // 使用for循环遍历字符串
    for (auto ch : myString) {
        std::cout << ch << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行上述代码，会将字符串中的每个字符打印出来：

H
e
l
l
o
,
 
W
o
r
l
d
!

迭代器遍历

以下是一个示例，演示了如何使用迭代器遍历字符串，并将每个字符打印出来：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 一个字符串示例
    std::string myString = "Hello, World!";

    // 使用迭代器遍历字符串
    for (std::string::iterator it = myString.begin(); it != myString.end(); ++it) {
        char ch = *it; // 获取迭代器指向的字符
        std::cout << ch << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行上述代码，会将字符串中的每个字符打印出来：

H
e
l
l
o
,
 
W
o
r
l
d
!

在这个示例中，我们使用了迭代器来遍历字符串。通过调用myString.begin()和myString.end()，我们分别获得了字符串的起始和结束迭代器。在每一次循环中，我们通过*it操作符获取迭代器指向的字符，并将其打印出来。然后，迭代器it向前移动到下一个位置，直到达到字符串的末尾为止。

相同的代码，在不同的编译器有不同的空间

在这里插入图片描述
这段代码主要包含两个问题。第一个问题是输出 std::string::iterator 的类型名，第二个问题是输出 std::string 对象的大小，并且说明为什么在不同编译器下结果不同。

首先，输出 std::string::iterator 的类型名，可以使用 typeid 运算符。typeid 运算符可以应用于任意表达式，返回该表达式的类型信息，类型信息可以使用 type_info 类来表示，其中包含了类型的名称等信息。因此，typeid(std::string::iterator).name() 的作用就是获取 std::string::iterator 的类型名，并输出到标准输出流中。

而对于第二个问题，std::string 是一个标准库提供的类模板，通常情况下在不同的编译器下，std::string 的实现是不同的。因此，sizeof(s2) 的结果在不同的编译器下也会有所不同。不同的编译器可能会有不同的实现方式和优化策略，例如内部缓存、内存对齐、空间预分配等。另外，不同的编译器还可能配置不同的编译选项和版本，这些也可能影响到 std::string 的实现和大小。

因此，如果在不同的编译器下运行相同的代码，可能会得到不同的结果。这不一定是问题，只是反映了实现和优化的差异。如果需要在不同的编译器和平台上保证代码的可移植性，需要避免直接依赖于具体的实现细节，而是使用标准库提供的接口和规范

string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串后尾插字符`c`
append	在字符串后追加一个字符串
operator+=	在字符串后追加字符串`str`
c_str	返回`C`格式字符串
find + npos	从字符串`pos`位置开始往后找字符`c`，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串`pos`位置开始往前找字符`c`，返回该字符在字符串中的位置
substr	在`str`中从`pos`位置开始，截取`n`个字符，然后将其返回

在这里插入图片描述
最常用的形式如下

s1 += 'y';
s1 +='yyyyyyyyyyyyyyyyyy';

string s2 ("11111111111");
s1 += s2;

注意：

在string尾部追加字符时，s.push_back( c ) / s.append(1, c) / s += 'c'三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。

string类非成员函数

函数	功能说明
operator+	尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>	输入运算符重载
operator<<	输出运算符重载
getline	获取一行字符串
relational operators	大小比较

上面的几个接口大家了解一下，下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

vs和g++下string结构的说明

ps:下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节。

vs下string的结构
string总共占28个字节，内部结构稍微复杂一点，先是有一个联合体，联合体用来定义string中字符串的存储空间：
- 当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
- 当字符串长度大于等于16时，从堆上开辟空间

union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger one
	value_type _Buf[_BUF_SIZE];
	pointer _Ptr;
	char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那string对象创建好之后，内部已经有了16个字符数组的固定空间，不需要通过堆创建，效率高。
其次：还有一个size_t字段保存字符串长度，一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量
最后：还有一个指针做一些其他事情。
故总共占16+4+4+4=28个字节。
在这里插入图片描述

g++下string的结构
G++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节，内部只包含了一个指针，该指针将来指向一块堆空间，内部包含了如下字段：
- 空间总大小
- 字符串有效长度
- 引用计数
- 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

struct _Rep_base
{
	size_type _M_length;
	size_type _M_capacity;
	_Atomic_word _M_refcount;
};

示例

例一

仅仅反转字母

class Solution {
public:
	bool isLetter(char ch)
	{
		if (ch >= 'a' && ch <= 'z')
			return true;
		if (ch >= 'A' && ch <= 'Z')
			return true;

		return false;
	}
	string reverseOnlyLetters(string S) {
		if (S.empty())
			return S;

		size_t begin = 0, end = S.size() - 1;
		while (begin < end)
		{
			while (begin < end && !isLetter(S[begin]))
				++begin;

			while (begin < end && !isLetter(S[end]))
				--end;

			swap(S[begin], S[end]);
			++begin;
			--end;
		}

		return S;
	}
};

例二

字符串中的第一个唯一字符

class Solution {
public:
	int firstUniqChar(string s) {

		// 统计每个字符出现的次数
		int count[256] = { 0 };
		int size = s.size();
		for (int i = 0; i < size; ++i)
			count[s[i]] += 1;

		// 按照字符次序从前往后找只出现一次的字符
		for (int i = 0; i < size; ++i)
			if (1 == count[s[i]])
				return i;

		return -1;
	}
};

例三

字符串最后一个单词的长度

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;

int main()
{
	string line;
	// 不要使用cin>>line,因为会它遇到空格就结束了
	// while(cin>>line)
	while (getline(cin, line))
	{
		size_t pos = line.rfind(' ');
		cout << line.size() - pos - 1 << endl;
	}
	return 0;
}

例四

验证回文串

class Solution {
public:
	bool isLetterOrNumber(char ch)
	{
		return (ch >= '0' && ch <= '9')
			|| (ch >= 'a' && ch <= 'z')
			|| (ch >= 'A' && ch <= 'Z');
	}

	bool isPalindrome(string s) {
		// 先小写字母转换成大写，再进行判断
		for (auto& ch : s)
		{
			if (ch >= 'a' && ch <= 'z')
				ch -= 32;
		}

		int begin = 0, end = s.size() - 1;
		while (begin < end)
		{
			while (begin < end && !isLetterOrNumber(s[begin]))
				++begin;

			while (begin < end && !isLetterOrNumber(s[end]))
				--end;

			if (s[begin] != s[end])
			{
				return false;
			}
			else
			{

				++begin;
				--end;
			}
		}

		return true;
	}
};

例五

字符串相加

class Solution {
public:
	string addstrings(string num1, string num2)
	{
		// 从后往前相加，相加的结果到字符串可以使用insert头插
		// 或者+=尾插以后再reverse过来
		int end1 = num1.size() - 1;
		int end2 = num2.size() - 1;
		int value1 = 0, value2 = 0, next = 0;
		string addret;
		while (end1 >= 0 || end2 >= 0)
		{
			if (end1 >= 0)
				value1 = num1[end1--] - '0';
			else
				value1 = 0;

			if (end2 >= 0)
				value2 = num2[end2--] - '0';
			else
				value2 = 0;

			int valueret = value1 + value2 + next;
			if (valueret > 9)
			{
				next = 1;
				valueret -= 10;
			}
			else
			{
				next = 0;
			}

			//addret.insert(addret.begin(), valueret+'0');
			addret += (valueret + '0');
		}

		if (next == 1)
		{
			//addret.insert(addret.begin(), '1');
			addret += '1';
		}

		reverse(addret.begin(), addret.end());
		return addret;
	}
};

其他

反转字符串 II
反转字符串中的单词 III
字符串相乘
找出字符串中第一个只出现一次的字符

三、string类的模拟实现

经典的string类问题

模拟实现string

大家看下以下string类的实现是否有问题？

// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:
	/*String()
	 :_str(new char[1])
	 {*_str = '\0';}
	 */
	 //String(const char* str = "\0") 错误示范
	 //String(const char* str = nullptr) 错误示范
	String(const char* str = "")
	{
		// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非
		if (nullptr == str)
		{
			assert(false);
			return;
		}

		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}

	~String()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _str;
};

// 测试
void TestString()
{
	String s1("hello bit!!!");
	String s2(s1);
}

在这里插入图片描述
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。

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。

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。
在这里插入图片描述

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。

在这里插入图片描述

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。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

在这里插入图片描述

传统版写法的String类

class String
{
public:
	String(const char* str = "")
	{
		// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非
		if (nullptr == str)
		{
			assert(false);
			return;
		}
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	String(const String& s)
		:
		_str(new char[strlen(s._str) + 1])
	{
	}
	strcpy(_str, s._str);
	String& operator=(const String& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			char* pStr = new char[strlen(s._str) + 1];
			strcpy(pStr, s._str);
			delete[] _str;
			_str = pStr;
		}
		return *this;
	}
	~String()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _str;
};

现代版写法的String类

class String
{
public:
	String(const char* str = "")
	{
		if (nullptr == str)
		{
			assert(false);
			return;
		}
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	String(const String& s)
		:
		_str(nullptr)
	{
	}
	String strTmp(s._str);
	swap(_str, strTmp._str);
	// 对比下和上面的赋值那个实现比较好？
	String& operator=(String s)
	{
		swap(_str, s._str);
		return *this;
	}
	/*
	String& operator=(const String& s)
	{
	if(this != &s)
	{
	String strTmp(s);
	swap(_str, strTmp._str);
	}
	return *this;
	}
	*/
	~String()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _str;
};

写时拷贝

在这里插入图片描述
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。

C++ STL STRING的COPY-ON-WRITE技术
C++的STD::STRING的“读时也拷贝”技术！

string类的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS

#include <iostream>
using namespace std;
#include <assert.h>

namespace bit
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
	public:
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}

		string(const string& s)
			: _str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			string tmp(s._str);
			this->swap(tmp);
		}

		string& operator=(string s)
		{
			this->swap(s);
			return *this;
		}

		~string()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}

		/
		// iterator
		iterator begin() 
		{ 
			return _str; 
		}

		iterator end() 
		{ 
			return _str + _size; 
		}

		/
		// modify
		void push_back(char c)
		{
			if (_size == _capacity)
				reserve(_capacity * 2);

			_str[_size++] = c;
			_str[_size] = '\0';
		}

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

		// 作业实现
		void append(const char* str);
		string& operator+=(const char* str);

		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[_size] = '\0';
		}

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

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

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

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

		void resize(size_t newSize, char c = '\0')
		{
			if (newSize > _size)
			{
				// 如果newSize大于底层空间大小，则需要重新开辟空间
				if (newSize > _capacity)
				{
					reserve(newSize);
				}

				memset(_str + _size, c, newSize - _size);
			}

			_size = newSize;
			_str[newSize] = '\0';
		}

		void reserve(size_t newCapacity)
		{
			// 如果新容量大于旧容量，则开辟空间
			if (newCapacity > _capacity)
			{
				char* str = new char[newCapacity + 1];
				strcpy(str, _str);

				// 释放原来旧空间,然后使用新空间
				delete[] _str;
				_str = str;
				_capacity = newCapacity;
			}
		}

		
		// access
		char& operator[](size_t index)
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}

		const char& operator[](size_t index)const
		{
			assert(index < _size);
			return _str[index];
		}

		
		// 作业
		bool operator<(const string& s);
		bool operator<=(const string& s);
		bool operator>(const string& s);
		bool operator>=(const string& s);
		bool operator==(const string& s);
		bool operator!=(const string& s);

		// 返回c在string中第一次出现的位置
		size_t find(char c, size_t pos = 0) const;
		// 返回子串s在string中第一次出现的位置
		size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;

		// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
		string& insert(size_t pos, char c);
		string& insert(size_t pos, const char* str);

		// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
		string& erase(size_t pos, size_t len);

	private:
		friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s);
		friend istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s);
	private:
		char* _str;
		size_t _capacity;
		size_t _size;
	};

	ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s)
	{
		// 不能使用这个, 因为string的字符串内部可能会包含\0
		// 直接cout时, 是将_str当成char*打印的，遇到内部的\0时后序内容就不打印了
		//cout << s._str;
		for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		{
			_cout << s[i];
		}
		return _cout;
	}
}

///对自定义的string类进行测试
void TestBitstring()
{
	bit::string s1("hello");
	s1.push_back(' ');
	s1.push_back('b');
	s1.push_back('i');
	s1 += 't';
	cout << s1 << endl;
	cout << s1.size() << endl;
	cout << s1.capacity() << endl;

	// 利用迭代器打印string中的元素
	bit::string::iterator it = s1.begin();
	while (it != s1.end())
	{
		cout << *it;
		++it;
	}
	cout << endl;

	// 这里可以看到一个类只要支持的基本的iterator，就支持范围for
	for (auto ch : s1)
		cout << ch;
	cout << endl;
}

四、扩展

文章

C++面试中STRING类的一种正确写法

STL 的string类怎么啦？

sort

在C++中，sort()函数是一个标准库函数，位于头文件中。它用于对各种容器（如数组、向量、字符串等）中的元素进行排序。

sort()函数的一般语法如下：

#include <algorithm>

sort(container.begin(), container.end());

其中，container是要排序的容器，可以是数组、向量、字符串等类型。sort()函数会按升序对容器中的元素进行排序，默认使用元素的小于比较运算符（<）。

例如，对一个整型数组进行排序的示例代码如下：

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main() {
    int arr[] = {5, 2, 8, 1, 9};
    int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    sort(arr, arr + n);

    cout << "Sorted array: ";
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        cout << arr[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

输出结果为：1 2 5 8 9

需要注意的是，sort()函数默认是对容器中元素进行升序排序，如果需要进行降序排序，可以使用greater<>()函数作为第三个参数，如下所示：

sort(container.begin(), container.end(), greater<>());

以上就是C++中sort()函数的基本用法。

vs编译器string的扩容

在vs编译器中，会对扩容进行优化，首先前几次会按二倍扩容，后面是按1.5倍扩容

在这里插入图片描述

15
31
……

为什么会是15呢？是因为编译器会自动留一个空间给'\0'

总结

扩容优化

在 Visual Studio 编译器中，对于 string 类的扩容，确实存在一种优化策略。通常情况下，首几次扩容时，编译器会按照二倍扩容的方式进行，即将当前内存块的大小乘以2。

这种扩容方式能够保证每次扩容都有足够的额外空间，以容纳未来可能增长的字符串内容。同时，二倍扩容也能够减少频繁的扩容操作，提高性能。

然而，随着字符串的长度不断增长，二倍扩容可能会导致内存空间浪费的问题。为了解决这个问题，VS 编译器在一定的阈值之后会切换到按1.5倍扩容的方式。

按照1.5倍扩容的方式，每次扩容时将当前内存块的大小乘以1.5，以提供更适当的额外空间。这种方式可以在一定程度上减少内存的浪费，同时仍然提供足够的空间用于字符串的增长。

需要注意的是，具体的扩容策略可能会因不同的编译器版本或设置而有所变化。上述描述是一种常见的优化策略，在大多数情况下是适用的。

留存空间

在 Visual Studio 编译器中，当对 string 进行扩容时，编译器会自动为新的内存块留出一个额外的空间来存储 '\0' 终止字符。这是为了确保字符串在扩容后仍然是以 '\0' 结尾的，以符合 C 风格的字符串表示法。

'\0' 字符用于表示字符串的结束，它是一个空字符，ASCII 值为0。在 C 和 C++ 中，字符串是以 '\0' 结尾的字符数组。因此，为了在对 string 进行扩容后仍然保持以 '\0' 结尾的特性，编译器会预留一个空间。

例如，如果当前字符串的长度为 n，在扩容时，编译器会为新的内存块分配 n + 1 的空间，其中 n 用于存储原有的字符，而额外的一个空间用于存储 '\0' 终止字符。

这种方式确保了对 string 进行扩容后，字符串仍然可以被正确地处理和使用，而不会导致字符截断或其他意外行为。

g++编译器string的扩容

相比于vs编译器，g++编译器显然没有扩容优化的概念

在这里插入图片描述

capacity（）

在C++中，capacity（容量）通常用于描述容器对象（如vector、string等）的内部存储空间的大小。容量表示容器已分配的内存大小，而不是容器中实际存储的元素数量。

对于vector容器来说，capacity()函数可以返回当前容器的容量大小。例如：

std::vector<int> myVector;
std::cout << "容量：" << myVector.capacity() << std::endl;

对于string字符串来说，capacity()函数也可以返回当前字符串的容量大小。例如：

std::string myString;
std::cout << "容量：" << myString.capacity() << std::endl;

当容器中的元素数量超过容器的容量时，容器会重新分配内存空间，将之前的元素复制到新的内存空间中。重新分配内存空间会导致性能损耗，因此在添加大量元素之前，可以使用reserve()函数预先分配足够的容量，以避免频繁的内存分配和复制操作。

例如，在vector容器中，可以使用reserve()函数预先分配容量：

std::vector<int> myVector;
myVector.reserve(100); // 预分配容量为100

在string字符串中，也可以使用reserve()函数预分配容量：

std::string myString;
myString.reserve(100); // 预分配容量为100

总之，capacity（容量）用于描述容器对象内部存储空间的大小，可以通过capacity()函数来获取容器当前的容量大小。

reserve()

ps：只会影响capacity不会影响size

在C++中，reserve()函数用于预分配容器对象的内存空间，以提前为容器对象分配足够的内存，避免频繁的内存分配和复制操作。

对于vector容器来说，reserve()函数可以用来预分配容器的容量。例如：

std::vector<int> myVector;
myVector.reserve(100); // 预分配容量为100

在上面的例子中，我们使用reserve()函数预先分配了容量为100的vector对象，即预先分配了100个int类型的内存空间。这样，当我们向vector中添加元素时，就不需要频繁地进行内存分配和复制操作。

同样地，对于string字符串来说，也可以使用reserve()函数预分配容量。例如：

std::string myString;
myString.reserve(100); // 预分配容量为100

在上述例子中，我们使用reserve()函数预先分配了容量为100的string对象，即预先分配了100个字符的内存空间。这样，在添加较长的字符串时，就不需要频繁地进行内存分配和复制操作。

需要注意的是，reserve()函数仅仅是预分配了容器对象的内存空间，并不会改变容器对象中实际存储的元素数量。因此，预分配的容量可以大于或等于实际存储的元素数量。

总而言之，reserve()函数用于预分配容器对象的内存空间，以提前为容器对象分配足够的内存，避免频繁的内存分配和复制操作。在vector和string等容器中都可以使用reserve()函数。

resize（）

ps：resize（）会影响size

在C++中，resize()函数用于改变容器对象的大小。

对于vector容器来说，resize()函数可以用来改变容器的大小，即添加或删除元素。例如：

std::vector<int> myVector;
myVector.resize(10); // 将容器的大小设置为10

在上面的例子中，我们使用resize()函数将容器的大小设置为10。如果原来容器的大小小于10，那么resize()函数将在容器的末尾添加足够数量的默认构造元素，使得容器的大小达到10。如果原来容器的大小大于10，那么resize()函数将删除容器末尾多出的元素，使得容器的大小为10。

对于string字符串来说，resize()函数也可以用来改变字符串的大小。例如：

std::string myString;
myString.resize(10); // 将字符串的大小设置为10

在上述例子中，我们使用resize()函数将字符串的大小设置为10。如果原来字符串的大小小于10，那么resize()函数将在字符串的末尾添加足够数量的空字符，使得字符串的大小达到10。如果原来字符串的大小大于10，那么resize()函数将删除字符串末尾多出的字符，使得字符串的大小为10。

需要注意的是，resize()函数会改变容器对象中实际存储的元素数量。因此，新调整大小后的容器大小可能小于、等于或大于调用resize()函数之前的容器大小。

总而言之，resize()函数用于改变容器对象的大小，在vector和string等容器中都可以使用resize()函数。对于vector容器，resize()函数可以添加或删除元素；对于string字符串，resize()函数可以添加或删除字符。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

已有的值不会动，在后面填写值，VS一开始开辟的空间是16，resize开辟空间，size变成20，capacity容量不够，按2倍扩容
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述
resize也会删除数据

shrink_to_fit

C++中的shrink_to_fit函数是一个vector容器的成员函数，用于请求vector缩小其容量以适应其当前大小。它的语法如下：

void shrink_to_fit();

该函数会释放vector中多余的内存空间，使其容量等于其大小。这样做可以节省内存空间，但也会导致如果再次添加元素，可能需要重新分配内存并复制元素。因此，shrink_to_fit函数一般用于不再需要添加新元素或者已经达到稳定状态的情况下。

以下是一个示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;

    // 在不断添加元素后，vector的容量可能会超过实际需要的大小
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        vec.push_back(i);
    }

    std::cout << "容量：" << vec.capacity() << std::endl;
    std::cout << "大小：" << vec.size() << std::endl;

    // 调用shrink_to_fit函数，释放多余的内存空间
    vec.shrink_to_fit();

    std::cout << "调用shrink_to_fit函数后的容量：" << vec.capacity() << std::endl;
    std::cout << "调用shrink_to_fit函数后的大小：" << vec.size() << std::endl;

    return 0;
}

输出结果：

容量：128
大小：100
调用shrink_to_fit函数后的容量：100
调用shrink_to_fit函数后的大小：100

在该示例中，初始时vector的容量为128，大小为100。通过调用shrink_to_fit函数，vector的容量被缩小为100，与其大小相等。

at

C++中的at()函数是用于访问容器中指定位置元素的方法。at()函数可以用于访问std::vector、std::array、std::deque以及std::string等容器。

at()函数的语法如下：

reference at(size_type pos);
const_reference at(size_type pos) const;

其中，pos表示要访问的元素的索引位置。

如果使用at()函数访问一个容器中的元素，当索引超出容器的有效范围时，会抛出一个std::out_of_range异常。这与使用operator[]操作符进行访问不同，后者在索引超出范围时，行为是未定义的。

以下是一个示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    try {
        // 访问索引为2的元素
        int value = vec.at(2);
        std::cout << "索引为2的元素：" << value << std::endl;

        // 访问超出范围的索引
        value = vec.at(10);  // 这里会抛出std::out_of_range异常
        std::cout << "索引为10的元素：" << value << std::endl;
    } catch (const std::out_of_range& e) {
        std::cout << "发生了out_of_range异常：" << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

输出结果：

索引为2的元素：3
发生了out_of_range异常：vector::_M_range_check: __n (which is 10) >= this->size() (which is 5)

在该示例中，首先使用at()函数访问索引为2的元素，输出结果为3。然后，使用at()函数访问超出范围的索引10，这里会抛出一个std::out_of_range异常，并显示相应的错误信息。

insert

在C++中，insert是一个用于在容器中插入元素的函数。它有多种用法，如：

在vector中插入元素：

vector<int> nums = {1, 2, 3, 4};
nums.insert(nums.begin() + 2, 5);  // 在索引为2的位置插入元素5

在list中插入元素：

list<int> nums = {1, 2, 3, 4};
auto it = nums.begin();
advance(it, 2);
nums.insert(it, 5);  // 在迭代器指向的位置插入元素5

在map中插入键值对：

map<string, int> scores = {{"Alice", 90}, {"Bob", 80}, {"Charlie", 70}};
scores.insert(make_pair("David", 60));  // 插入键值对"Davis"和60

在set中插入元素：

set<string> names = {"Alice", "Bob", "Charlie"};
names.insert("David");  // 插入元素"David"

这只是insert的一些用法示例，在不同的容器中有不同的使用方法，具体可以查看C++的文档或教程。

erase

C++中的erase是一个字符串或容器的成员函数，用于删除容器中的一个或多个元素。具体用法如下：

字符串的erase函数用于删除字符串中的一个或多个字符。具体用法如下：

string str = "Hello World";
str.erase(5);  // 删除索引为5的字符，结果为"HelloWorld"
str.erase(0, 5);  // 删除从索引0开始的5个字符，结果为"World"

容器的erase函数用于删除容器中的一个或多个元素。具体用法如下：

vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
vec.erase(vec.begin());  // 删除容器的第一个元素，结果为{2, 3, 4, 5}
vec.erase(vec.begin() + 2, vec.begin() + 4);  // 删除容器的第3个和第4个元素，结果为{2, 3, 5}

需要注意的是，对于字符串的erase函数，删除字符会导致字符串的长度减小；对于容器的erase函数，删除元素会导致容器的大小减小。

npos

C++的npos是一个常量，用于表示字符串的结尾位置。它定义在std命名空间下的string类中，具体的值是-1。通常可以通过string类的成员函数find来判断字符串中是否包含某个子串，如果找不到匹配的子串，find函数将返回npos。

解决c++默认遇到空格和换行就结束的问题

C++和C语言默认遇到空格和换行就结束

要解决C++默认遇到空格和换行就结束的问题，可以使用std::getline()函数的全版本，该函数允许设置自定义的分隔符。

getline()

以下是使用std::getline()函数的全版本来解决这个问题的示例：

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str;

    std::cout << "Enter a line of text: ";
    std::getline(std::cin, str, '\n'); // 将换行符'\n'作为分隔符

    std::cout << "You entered: " << str << std::endl;

    return 0;
}

在上面的示例中，我们在std::getline()函数的第三个参数中显式地指定了换行符’\n'作为分隔符。这样，输入流std::cin会一直读取，直到遇到换行符才会停止，并将读取的内容存储到字符串str中。

如果你想要同时避免空格和换行符，可以指定一个空格作为分隔符，如下所示：

std::getline(std::cin, str, ' ');

这样，输入流std::cin会一直读取，直到遇到空格或换行符才会停止，并将读取的内容存储到字符串str中。

请注意，在使用std::getline()函数时，需要包含头文件<iostream>和<string>。

循环

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str;

    std::cout << "Enter a line of text: ";
    while(std::cin>>str)
    {
    	std::cout << "You entered: " << str << std::endl;
  	}
    return 0;
}

但是这种写法程序不好正常的结束，我们需要用到ctrl+z或者ctrl+c来结束进程

to_string

在C++中，to_string是一个用于将不同类型数据转换为字符串的函数。它的语法如下：

string to_string(int val); // 将整数转换为字符串
string to_string(long val); // 将长整数转换为字符串
string to_string(long long val); // 将长长整数转换为字符串
string to_string(unsigned val); // 将无符号整数转换为字符串
string to_string(unsigned long val); // 将无符号长整数转换为字符串
string to_string(unsigned long long val); // 将无符号长长整数转换为字符串
string to_string(float val); // 将浮点数转换为字符串
string to_string(double val); // 将双精度浮点数转换为字符串
string to_string(long double val); // 将长双精度浮点数转换为字符串
string to_string(const char* val); // 将C风格字符串转换为字符串
string to_string(const string& val); // 将string对象转换为字符串

使用to_string函数，你可以将各种类型的数据转换为字符串。例如：

int num = 10;
string str = to_string(num);

float floatNum = 3.14;
string floatStr = to_string(floatNum);

此外，to_string函数还可以用于自定义类型，只需要为该类型定义一个适当的to_string函数重载即可。例如：

struct Point {
    int x;
    int y;
};

string to_string(const Point& p) {
    return "(" + to_string(p.x) + ", " + to_string(p.y) + ")";
}

Point p = {3, 5};
string pointStr = to_string(p); // 输出："(3, 5)"

上述例子中，我们为Point结构体定义了一个to_string函数重载，用于将Point类型转换为字符串。

stoi

在C++中，stoi是一个用于将字符串转换为整数的函数。它的语法如下：

int stoi(const string& str, size_t* pos = 0, int base = 10);

其中，str是要转换的字符串，pos是一个可选的指针，用于返回转换结束的位置，base指定了转换的基数，默认为10。

stoi函数将字符串解析为整数，并返回对应的整数值。如果转换失败，将抛出一个std::invalid_argument或std::out_of_range异常。

下面是一些使用stoi函数的例子：

string str = "1234";
int num = stoi(str); // 将字符串"1234"转换为整数1234

string hexStr = "FF";
int hexNum = stoi(hexStr, nullptr, 16); // 将十六进制字符串"FF"转换为整数255

string invalidStr = "abc";
int invalidNum;
try {
    invalidNum = stoi(invalidStr); // 无效的字符串，将抛出异常
} catch (const std::invalid_argument& e) {
    cout << "Invalid argument: " << e.what() << endl;
}