第9课-C++String功能的探索

1：C 语言中的字符串 vs C++ string 类

1.1 C 语言中的字符串

在 C 语言中，字符串本质上是以 \0 结尾的字符数组。C 标准库为此提供了 str 系列函数，如 strlen()、strcpy() 和 strcat() 等。虽然这些函数可以操作字符串，但它们的操作十分繁琐且容易出错，尤其是在内存管理方面。

例如，在 C 语言中进行字符串拼接的代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str1[50] = "Hello";
    char str2[50] = " World";

    // 字符串连接
    strcat(str1, str2);

    printf("%s\n", str1);  // 输出：Hello World

    return 0;
}

问题：C 语言中的字符串操作容易出现内存溢出，因为需要手动管理字符数组的长度。

1.2 C++ string 类的优势

C++ 中的 string 类使得字符串操作更加安全和简便。它封装了复杂的内存管理，并提供了类似数组的接口，开发者不再需要手动管理字符串的长度和内存。例如，使用 string 进行字符串拼接：

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

int main() {
    string str1 = "Hello";
    string str2 = " World";

    // 使用 += 操作符进行拼接
    str1 += str2;

    cout << str1 << endl;  // 输出：Hello World

    return 0;
}

2：string 类的构造与基础操作

2.1 string 类的构造方法

string 类支持多种构造方式，以下是常见的构造函数：

函数名   功能描述
string()   默认构造一个空字符串
string(const char* s)   使用 C 字符串 s 构造 string 对象
string(size_t n, char c)   构造一个包含 n 个字符 c 的字符串
string(const string& s)   使用已有的 string 对象进行拷贝构造

2.1.1 示例代码：构造字符串

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

int main() {
    string s1;                 // 空字符串
    string s2("Hello C++");     // 通过C字符串初始化
    string s3(s2);              // 拷贝构造
    string s4(5, 'A');          // 5个'A'字符的字符串

    cout << "s1: " << s1 << endl;
    cout << "s2: " << s2 << endl;
    cout << "s3: " << s3 << endl;
    cout << "s4: " << s4 << endl;

    return 0;
}

输出示例：

s1:
s2: Hello C++
s3: Hello C++
s4: AAAAA

2.2 string 对象的常见操作

函数名   功能描述
size()   返回字符串的长度
length()   返回字符串的长度，与 size() 等价
capacity()   返回当前分配的存储空间大小
empty()   判断字符串是否为空，若为空返回 true
clear()   清空字符串内容
reserve()   为字符串预留存储空间，不改变有效字符的个数
resize()   改变字符串的长度，若增大则用默认字符填充

2.2.1：字符串容量操作

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，reserve不会改变容量大小。
size和capacity都不包括’\0’

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

int main() {
    string s = "Hello";

    cout << "Size: " << s.size() << endl;     // 返回字符串长度
    cout << "Capacity: " << s.capacity() << endl;  // 返回容量
    s.resize(10, 'X');                        // 将长度改为10，多出部分用'X'填充
    cout << "Resized: " << s << endl;
    s.clear();                                // 清空字符串
    cout << "Is empty: " << s.empty() << endl;  // 检查是否为空

    return 0;
}

输出示例：

Size: 5
Capacity: 15
Resized: HelloXXXXX
Is empty: 1

2.3 字符串的遍历与访问

可以通过以下几种方式访问字符串中的字符：

方法   功能描述
operator[]   返回或设置指定位置的字符
at()   返回指定位置的字符并进行边界检查
begin()/end()   返回字符串的首尾迭代器，用于遍历字符串
rbegin()/rend()   返回反向迭代器，支持从后向前遍历字符串
push_back()   在字符串末尾追加一个字符
append()   在字符串末尾追加另一个字符串或子字符串

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。

2.3.1 遍历与访问字符

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

int main() {
    string s = "Hello C++";

    // 使用下标访问
    cout << "First character: " << s[0] << endl;

    // 使用迭代器遍历
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
        cout << *it << ' ';
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

输出示例

First character: H
H e l l o C + +

3：字符串的高级操作

3.1 字符串的查找操作

string 类提供了多种查找子字符串或字符的方法。常见的查找方法如下：

函数名   功能说明
find()   在字符串中查找子字符串或字符，返回其首次出现的位置，找不到则返回 string::npos
rfind()   反向查找字符串，返回最后一次出现子串或字符的位置
find_first_of()   查找指定字符集中的任意一个字符，返回第一次出现的索引
find_last_of()   查找指定字符集中的任意一个字符，返回最后一次出现的索引
string::npos 是 std::string 类的一个常量静态成员变量，它是用来表示查找操作失败时的返回值。

它通常等于无符号整数类型的最大值（size_t(-1)），具体值是实现定义的，但它在所有实现中都用于表示“未找到”的状态。

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

int main() {
    cout << "Value of string::npos: " << string::npos << endl;
    return 0;
}

输出结果：

Value of string::npos: 18446744073709551615 // 这是 size_t 的最大值 (通常等于 -1)

3.1.1 查找子字符串

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

int main() {
    string s = "Hello World";

    // 查找 "World" 在字符串中的位置
    size_t pos = s.find("World");
    if (pos != string::npos) {
        cout << "'World' found at position: " << pos << endl;
    } else {
        cout << "'World' not found" << endl;
    }

    // 反向查找 'o'
    size_t rpos = s.rfind('o');
    cout << "'o' last found at position: " << rpos << endl;

    return 0;
}

输出示例：

'World' found at position: 6
'o' last found at position: 7

3.1.2 示例代码：查找任意字符

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

int main() {
    string s = "Hello, World!";
    string charset = "aeiou";  // 查找元音字母

    // 使用 find_first_of 查找字符集中任意字符第一次出现的位置
    size_t first_pos = s.find_first_of(charset);
    if (first_pos != string::npos) {
        cout << "First vowel in the string found at position: " << first_pos << endl;
    } else {
        cout << "No vowel found in the string." << endl;
    }

    // 使用 find_last_of 查找字符集中任意字符最后一次出现的位置
    size_t last_pos = s.find_last_of(charset);
    if (last_pos != string::npos) {
        cout << "Last vowel in the string found at position: " << last_pos << endl;
    } else {
        cout << "No vowel found in the string." << endl;
    }

    return 0;
}

输出示例：

First vowel in the string found at position: 1
Last vowel in the string found at position: 8

3.3 字符串的比较操作

在 C++ 中，string 类支持字符串的比较操作，既可以使用运算符 ==、!=、<、> 等，也可以通过 compare() 方法进行更细粒度的比较。

方法   功能说明
operator==   判断两个字符串是否相等
operator!=   判断两个字符串是否不相等
operator<   判断当前字符串是否小于另一个字符串
operator>   判断当前字符串是否大于另一个字符串
compare()   进行详细的字符串比较，返回 0 表示相等，负值表示小于，正值表示大于

3.2.1 ：字符串比较

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

int main() {
    string str1 = "Apple";
    string str2 = "Banana";

    if (str1 == str2) {
        cout << "Strings are equal" << endl;
    } else {
        cout << "Strings are not equal" << endl;
    }

    // 使用 compare() 方法比较
    int result = str1.compare(str2);
    if (result == 0) {
        cout << "Strings are equal" << endl;
    } else if (result < 0) {
        cout << "str1 is less than str2" << endl;
    } else {
        cout << "str1 is greater than str2" << endl;
    }

    return 0;
}

输出示例：

Strings are not equal
str1 is less than str2

3.3字符串的替换操作

在 C++ 中，string 类允许我们通过 replace() 方法替换字符串中的部分内容。

函数名功能说明
replace() 替换从指定位置开始的若干字符为新字符串

3.3.1 替换字符串中的部分内容

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 替换 "World" 为 "C++"
    str.replace(6, 5, "C++");

    cout << str << endl;  // 输出：Hello C++

    return 0;
}

输出示例：

Hello C++

3.4 字符串的截取操作

string 类提供了 substr() 方法来提取字符串中的子字符串。该方法非常有用，尤其是在处理文件路径或URL时。

函数名功能说明
substr() 从指定位置开始，截取若干字符并返回子字符串

3.4.1提取子字符串

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 从位置 6 开始截取 5 个字符
    string sub = str.substr(6, 5);

    cout << "Substring: " << sub << endl;

    return 0;
}

输出示例：

Substring: World

3.5字符串的插入与删除操作

在 C++ 中，string 类支持通过 insert() 在字符串的指定位置插入子字符串，或通过 erase() 从指定位置删除字符。

这两个方法因为时间复杂度挺高的，所以还是避免常用

函数名   功能说明
insert()   在字符串的指定位置插入字符或子字符串
erase()   删除字符串中指定位置的若干字符

3.5.1 插入与删除操作

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 在索引 5 处插入一个逗号
    str.insert(5, ",");
    cout << "After insert: " << str << endl;

    // 删除索引 5 开始的 1 个字符
    str.erase(5, 1);
    cout << "After erase: " << str << endl;

    return 0;
}

输出示例：

After insert: Hello, World
After erase: Hello World

3.6 字符串与数值的转换

C++ 提供了 to_string() 和 stoi() 等函数，帮助我们在字符串和数值之间进行转换。这在处理用户输入、文件解析等场景中非常常用。

函数名   功能说明
to_string()   将数值转换为字符串
stoi()   将字符串转换为整数
stof()   将字符串转换为浮点数

3.6.1 数字与字符串的相互转换

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

int main() {
    int num = 42;
    string str = to_string(num);  // 数字转字符串
    cout << "String: " << str << endl;

    string strNum = "123";
    int parsedNum = stoi(strNum);  // 字符串转整数
    cout << "Parsed Integer: " << parsedNum << endl;

    return 0;
}