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所属专栏：C++学习
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为了让我们更加深入理解string，接下来我们将模拟实现一个·简易版的string。而为了和STL库中的string以示区分，我们将使用命名空间namespace对其封装。
1. string的成员变量
string简单来说就是一个被封装可动态增长的字符数组，这与我们在数据结构中学的串非常类似，所以我们可以借助实现串的思路来大致模拟string的结构。
下面是string的成员变量：
namespace betty
{
class string
{
public:
//...
private:
size_t _size;//当前有效字符的个数
size_t _capacity;//当前容量的大小，方便扩容
char* _str;//存储的字符串
};
}
值得注意的是\0既不占据有效长度的大小，也不占据容量的大小。
2. string的成员函数
再知道string的成员变量之后，接下来我们将探究string的成员函数，而常见成员函数的用法我们早在之前就已经介绍过了 ，下面我们将来具体实现一下：
2.1. string的迭代器
首先我们来模拟实现一下迭代器iterator，而在string中迭代器iterator就是一个指针。所以我们直接使用typedef实现
typedef char* iterator;//普通迭代器
typedef const char* const_iterator;//const迭代器
接下来我们来实现begin()与end()，其中begin()指向的是字符串的起始位置即_str，而end()指向有效字符最后的下一位即\0的位置。
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
实现完普通迭代器之后，我们可以顺便重载一个const_iterator的版本。
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}
我们知道在string中还有一个反向迭代器，这个我们在之后会统一实现。
2.2. string的初始化与销毁
2.2.1. 构造函数与拷贝构造
我们之前在学习string时知道其初始化方式有很多，可以通过默认构造函数给其初始化，也可以通过字符数组给其初始化。当然我们在实现时不用这么麻烦，直接给缺省值就可以了。
string(const char* str = "")//默认缺省为空串
:_size(strlen(str))
, _capacity(_size)
, _str(new char[_capacity + 1])//也要存储'\0'
{
strcpy(_str, str);
}
拷贝构造也十分简单，直接拷贝就行了
string(const string& s)
{
_str = new char[s._capacity + 1];
memcpy(_str, s._str, s._size);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
当然我们也可以通过一个取巧的方式来实现拷贝构造。
string(const string& s)
: _str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
this->swap(tmp);
}
首先通过构造出一个与原字符串相同的字符串tmp，然后让this所指向的字符串与其交换，这样出了作用域之后销毁的就是原this所指向的字符串。当然我们必须先将this所指向的字符串先初始化，不然析构函数去释放未初始化的空间会出错。
2.2.2. 赋值重载与析构函数
赋值运算符重载与拷贝构造的实现就非常类似了，直接实现即可。只需要对自己赋值给自己的情况进行特判即可。
string& operator=(const string& s)
{
if (this != &s)
{
char* tmp = new char[s._capacity + 1];
memcpy(tmp, s._str, s._size + 1);
delete[] _str;
_str = tmp;
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}
当然我们也能实现赋值重载的简易版本。
string& operator=(const string& s)
{
if (this != &s)
{
string tmp(s);
this->swap(tmp);
}
return *this;
}
最后我们实现析构函数，只需要清理资源即可
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
2.3. string的容量操作
2.3.1. 有效长度与容量大小
首先我们先实现返回字符串有效长度的size() 与容量大小的capacity()。并且为了适配const对象，最后用const修饰this指针。
size_t size() const
{
return _size;
}
size_t capacity() const
{
return _capacity;
}
2.3.2. 容量操作
首先我们实现判断字符串是否为空的empty()以及情况字符串的clear()。其中emty()不需要修改，可以加上const
void clear()
{
_str[0] = '\0';//直接将首字符改为'\0'
_size = 0;
}
bool empty() const
{
return _size == 0;
}
接下来我们来实现扩容函数reserve()与·resize()，其中reserve()最简单，只要新容量大于旧容量就发生扩容。
void reserve(size_t newCapacity = 0)
{
// 当新容量大于旧容量的时才扩容
if (newCapacity > _capacity)
{
char* tmp = new char[newCapacity + 1];
//拷贝原有数据
memcpy(tmp, _str, _size);
delete[] _str;
// 让_str指向新空间
_str = tmp;
_capacity = newCapacity;
}
}
而resize()的逻辑就比较复杂，需要分三种情况讨论。设字符串原来有效长度为size，容量为capacity，新容量为n
- 当
n<size时，resize会删除有效字符到指定大小。- 当
size<n<capcity时，resize会补充有效字符(默认为’\0)到指定大小。- 当
n>capacity时，resize会补充有效字符(默认为’\0)到指定大小。
void resize(size_t n, char c = '\0')
{
if (n > _size)
{
// n>capacity则扩容
if (newSize > _capacity)
{
reserve(n);
}
//填充新数据c至有效长度为n
memset(_str + _size, c, n - _size);
}
// 当n<=_size，删除多余的字符
_size = n;
_str[newSize] = '\0';
}
2.4. string的访问操作
为了符合我们C语言访问数组的习惯，我们可以先重载operator[]。当然我们也要提供两种不同的接口：可读可写与可读不可写。并且使用引用返回，减少不必要的拷贝。
// 可读可写
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
// 可读不可写
const char& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
同理我们也可以实现front()与back()函数。
// 可读可写
char& front()
{
return _str[0];
}
char& back()
{
return _str[_size - 1];
}
// 可读不可写
const char& front()const
{
return _str[0];
}
const char& back()const
{
return _str[_size - 1];
}
2.5. string的修改操作
2.5.1. 字符串的添加
首先我们将实现两个常用的修改函数：push_back()与append()
void push_back(char ch)
{
// 如果数据满了，则需要进行扩容
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size++] = ch;
_str[_size] = '\0';
}
// 追加字符串
void append(const char* s)
{
int len = strlen(s);// 获取字符串的长度
// 如果大于原来容量，则就需要扩容
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
// 将字符串拷贝到末尾的_size位置
memcpy(_str + _size, s, len + 1);
_size += len;
}
而后我们可以复用前两个函数实现operator+=()。
//追加一个字符
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
//追加一个字符串
string& operator+=(const char* s)
{
append(s);
return *this;
}
最后我们来实现随机插入insert()函数。将pos位置后所有字符移动len个单位，如果为字符len=1，否则len=字符串长度
//添加一个字符
void insert(size_t pos, char ch)
{
//防止越界访问
assert(pos <= _size);
//检查是否需要扩容
if (_size == _capacity)
{
size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newCapacity);
}
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}
_str[pos] = ch;
_size++;
}
//添加一个字符串
void insert(size_t pos, const char* s)
{
//防止越界访问
assert(pos <= _size);
//检查是否需要扩容
size_t len = strlen(s);
if (_size+len > _capacity)
{
reserve(_size+len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
memcpy(_str + pos, s, len);
}
2.5.2. 字符串的删除
字符串的删除我们需要实现pop_back()与erase()两个函数。
void pop_back()
{
_str[_size - 1] = '\0';
--_size;
}
而随机删除erase()需要再定义一个类成员变量npos来实现，它为无符号数的-1，一般为整型的最大值
// 类内声明
static size_t npos;
// 类外初始化
size_t string::npos = -1;
将pos位置后所有字符往前移动len个单位，如果为字符len=1，否则len=字符串长度
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
//判断是否将后面字符之间删除完
if (len == npos || pos + len >= _size)
{
_str[0] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
//往前移len个字符
size_t begin = pos + len;
while (begin <= _size)
{
_str[begin - len] = _str[begin];
++begin;
}
_size -= len;
}
}
2.5.3. 字符串的交换
最后我们来实现字符串的交换swap()函数，我们知道string的交换其实就是指针_str，_size，capacity的交换。
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
2.6. string的其他操作
首先我们将常见字符串的比较函数实现，实现时相互之间还可以复用。
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 strcmp(_str, s._str) == 0;
}
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);
}
接下来让我们实现流插入operator<<()与流提取operator>>()。但是我们要注意普通istream对象无法提前空格与\n。这是我们就需要一个函数get()来提取
同时为了避免频繁扩容，我们可以借助一个辅助数组buf来辅助填充。
// 流提取
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear();//先清空原字符串
char ch = in.get();
char buf[128];
int i = 0;
while (ch != '\n')//以换行为分隔符
{
buf[i++] = ch;
// 为\0留空间
if (i == 127)
{
buf[i] = '\0';
s += buf;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
//将buf中剩余数据直接填入
if (i != 0)
{
buf[i] = '\0';
s += buf;
}
return in;
}
最后我们实现c_str() ，find()与substr()函数。
const char* c_str()const
{
return _str;
}
//找字符
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
{
return i;
}
}
return npos;
}
//找字符串
size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
{
const char* p = strstr(_str + pos, s);
if (p)
{
return p - _str;
}
return npos;
}
//截取一段字符串
string substr(size_t pos, size_t len = npos)
{
string s;
size_t end = pos + len;
//判断是否截取到最后
if (len == npos || pos + len >=_size)
{
len = _size - pos;
end = _size;
}
//提前开辟空间
s.reserve(len);
for (size_t i = pos; i < end; i++)
{
s += _str[i];
}
return s;
}
3. 源码
#pragma once
#include <iostream>
#include<assert.h>
#include<stdbool.h>
using namespace std;
namespace betty
{
class string
{
public:
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin()
{
return iterator(_str);
}
const_iterator begin()const
{
return const_iterator(_str);
}
iterator end()
{
return iterator(_str + _size);
}
const_iterator end()const
{
return const_iterator(_str + _size);
}
//string()
// :_size(0)
// , _capacity(0)
// , _str(new char[1])
//{
// _str[0] = '\0';
//}
string(const char* str = "")
:_size(strlen(str))
, _capacity(_size)
, _str(new char[_capacity + 1])
{
strcpy(_str, str);
}
//string(const string& s)
//{
// _str = new char[s._capacity + 1];
// strcpy(_str,s._str);
// _size = s._size;
// _capacity = s._capacity;
//}
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
//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._capacity;
// _capacity = s._capacity;
// }
// return *this;
//}
string& operator=(string tmp)
{
if (this != &tmp)
{
swap(tmp);
}
return *this;
}
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
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;
}
const char* c_str()const
{
return _str;
}
void reserve(size_t newCapacity )
{
if (newCapacity > _capacity)
{
char* tmp = new char[newCapacity + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = newCapacity;
}
}
void resize(size_t newSize, char c = '\0')
{
if (newSize > _size)
{
if (newSize > _capacity)
{
reserve(newSize);
}
memset(_str + _size, c, newSize - _size);
}
_size = newSize;
_str[newSize] = '\0';
}
void clear()
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
bool empty() const
{
return _size == 0;
}
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newCapacity);
}
_str[_size++] = ch;
_str[_size] = '\0';
}
void append(const char* s)
{
size_t len = strlen(s);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size);
}
memcpy(_str + _size, s, len + 1);
_size += len;
}
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* s)
{
append(s);
return *this;
}
//找字符
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
{
return i;
}
}
return npos;
}
//找字符串
size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
{
const char* p = strstr(_str + pos, s);
if (p)
{
return p - _str;
}
return npos;
}
string substr(size_t pos, size_t len = npos)
{
string s;
size_t end = pos + len;
//判断是否截取到最后
if (len == npos || pos + len >=_size)
{
len = _size - pos;
end = _size;
}
//提前开辟空间
s.reserve(len);
for (size_t i = pos; i < end; i++)
{
s += _str[i];
}
return s;
}
void insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newCapacity);
}
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
--end;
}
_str[pos] = ch;
_size++;
}
void insert(size_t pos, const char* s)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(s);
if (_size+len> _capacity)
{
reserve(_size+len);
}
size_t end = _size + len;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
memcpy(_str + pos, s, len);
}
// 可读可写
char& front()
{
return _str[0];
}
char& back()
{
return _str[_size - 1];
}
// 可读不可写
const char& front()const
{
return _str[0];
}
const char& back()const
{
return _str[_size - 1];
}
void pop_back()
{
_str[_size - 1] = '\0';
--_size;
}
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
if (len == npos || pos + len >= _size)
{
_str[0] = '\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 strcmp(_str, s._str) == 0;
}
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);
}
~string()
{
delete[]_str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
private:
size_t _size;
size_t _capacity;
char* _str;
static size_t npos;
};
size_t string::npos = -1;
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
for (auto& e : s)
{
out << e;
}
return out;
}
//istream& operator>>(istream& in, string& s)
//{
// s.clear();
// char ch = in.get();
// while (ch != '\n'&&ch!=' ')
// {
// s += ch;
// ch = in.get();
// }
// return in;
//}
// 流提取
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear();
char ch = in.get();
char buf[128];
int i = 0;
while (ch != '\n')
{
buf[i++] = ch;
if (i == 127)
{
buf[127] = '\0';
i = 0;
s += buf;
}
ch = in.get();
}
if (i != 0)
{
buf[i] = '\0';
s += buf;
}
return in;
}
}
