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🍭🍭系列专栏：【C++学习与应用】
✒️✒️本篇内容：简单介绍string类的概念、string类的常用接口、string类的模拟实现（各个常见接口的实现代码）、string代码实现过程中的浅拷贝和深拷贝问题、string类的写时拷贝
🚢🚢作者简介：计算机海洋的新进船长一枚，请多多指教( •̀֊•́ ) ̖́-
目录
一、为什么要学习string类
1. C语言中的字符串
2.实际应用
二、标准库中的string类
1.string类基础知识
2.string类的常用接口说明
2.1string类对象的常见构造
2.2string类对象的容量操作
2.3string类对象的访问及遍历操作
2.4string类对象的修改操作
2.5string类非成员函数
2.6vs和g++下string结构的说明
三、string类的模拟实现
1.string类的经典问题
2.浅拷贝
3.深拷贝
4.现代版的string类（模拟实现代码全集）
5.写时拷贝（了解）
一、为什么要学习string类
1. 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，不太符合面向对象的思想，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。
2.实际应用
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
1.string类基础知识
string文档快捷链接
https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string
- 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，typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string;
- 不能操作多字节或者变长字符的序列。
【注意】在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;
实际上，我们可以将string类理解为一种可以让我们更好使用字符串的一种工具
2.string类的常用接口说明
2.1string类对象的常见构造
| 函数名称 | 功能说明 |
| string() （重点） | 构造空的string类对象，即空字符串 |
| string(const char* s) （重点） | 用C-string来构造string类对象 |
| tring(size_t n, char c) | string类对象中包含n个字符c |
| tring(const string&s)（重点） | 拷贝构造函数 |
void Teststring()
{
string s1; // 构造空的string类对象s1
string s2("hello world"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
string s3(s2); // 拷贝构造s3
}2.2string类对象的容量操作
| 函数名称 | 功能说明 |
| size（重点） | 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 （重点） | 检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false |
| clear （重点） | 清空有效字符 |
| reserve （重点） | 为字符串预留空间** |
| resize（重点） | 将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充 |
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。
reserve、resize的具体实验实例如下（区别：reserve更改string类的capacity，resize更改string类的size）
（1）reserve
为 s1 初始分配空间，15。
调用reserve()函数后，空间变为31，即保留空间变大了(string内存分配按照:(n*16-1)分配)。
（2）resize
2.3string类对象的访问及遍历操作
| 函数名称 | 功能说明 |
| operator[ ] （重点） | 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 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 |
| 范围for | C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式 |
operator[ ] （重点）的意思是将 [ ] 进行了重载
2.4string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+= (重点) | 在字符串后追加字符串str |
| c_str(重点) | 返回C格式字符串 |
| find + npos(重点) | 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 |
【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。
2.5string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>> （重点） | 输入运算符重载 |
| operator<< （重点） | 输出运算符重载 |
| getline （重点） | 获取一行字符串 |
| relational operators （重点） | 大小比较 |
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。
2.6vs和g++下string结构的说明
注意：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
首先
- 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
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（size），一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量（capacity）
最后
还会有一个指针用来做其他的事情
我们这里以一个字符串为例,计算字符串所占空间
std::string s1("1234");故总共占16+4+4+4=28个字节（3个4分别为两个size_t、一个指针）
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（指向堆空间的指针，用来存储字符串），其内部包含了如下字段：
struct _Rep_base
{
size_type _M_length;
size_type _M_capacity;
_Atomic_word _M_refcount;
};- 字符串有效长度
- 空间总大小
- 引用计数
三、string类的模拟实现
1.string类的经典问题
上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。
大家可以看下下述的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(const char* str = "\0") 错误示范
//String(const char* str = nullptr) 错误示范
String(const char* pstr = "")
{
// 判断
if (nullptr == pstr)
{
assert(false);
return;
}
_pstr = new char[strlen(pstr) + 1];
strcpy(_pstr, pstr);
}
~String()
{
if (_pstr)
{
delete[] _pstr;
_pstr = nullptr;
}
}
private:
char* _pstr;
};
// 测试
void TestString()
{
String s1("hello world!");
String s2(s1);
}
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。
2.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（空间），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。
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
3.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。
使用深拷贝，可以在拷贝时，将资源（空间）相互区分开来，避免了同一资源被多次释放的问题，下图中就是应用了深拷贝的方法（创造一个新的空间，将信息拷贝到新空间中）
4.现代版的string类（模拟实现代码全集）
string类的模拟实现代码全集
namespace bit
{
class string
{
public:
// begin() 和 end()
typedef char* iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
//构造函数
string(const char* str = "")
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_capacity + 1];
strcpy(_str, str);
}
//容器中提供的swap()函数并不是交换了两个容器的内容，而是交换了两个容器的地址
void swap(string& s)
{
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
// 现代写法
// s2(s1)
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str); // 构造函数
//this->swap(tmp);
swap(tmp);
}
// s1 = s3;
string& operator=(string s)
{
swap(s);
return *this;
}
//析构函数
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
const char* c_str() const
{
return _str;
}
size_t size() const
{
return _size;
}
size_t capacity() const
{
return _capacity;
}
// [] -- 重载
// 普通对象：可读可写
char& operator[](size_t pos)
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
// const对象：只读
const char& operator[](size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
//reserve、resize、push_back、append
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)
{
reserve(n);
for (size_t i = _size; i < n; ++i)
{
_str[i] = ch;
}
_size = n;
_str[_size] = '\0';
}
else
{
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
size_t newCapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
reserve(newCapacity);
}
_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;
}
// += -- 重载
string& operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}
//insert、erase
string& 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;
return *this;
}
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
/* int end = _size;
while (end >= (int)pos)
{
_str[end + len] = _str[end];
--end;
}*/
size_t end = _size + len;
while (end > pos + len - 1)
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
strncpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
return *this;
}
string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
if (len == npos || pos + len >= _size)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}
// find
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const
{
assert(pos < _size);
while (pos < _size)
{
if (_str[pos] == ch)
{
return pos;
}
++pos;
}
return npos;
}
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const
{
assert(pos < _size);
const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
if (ptr == nullptr)
{
return npos;
}
else
{
return ptr - _str;
}
}
void clear()
{
_size = 0;
_str[0] = '\0';
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
const static size_t npos = -1;
}; ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
{
out << s[i];
}
return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
s.clear();
char buff[128] = { '\0' };
size_t i = 0;
char ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
if (i == 127)
{
// 满了
s += buff;
i = 0;
}
buff[i++] = ch;
ch = in.get();
}
if (i > 0)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
return in;
}5.写时拷贝（了解）
写时拷贝我们可以把它理解为一个拖延症患者，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。
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