C++ STL之string容器的模拟实现

news2024/10/5 12:07:33

目录

一、经典的string类问题

1.出现的问题

2.浅拷贝

3.深拷贝 

二、string类的模拟实现

1.传统版的string类

2.现代版的string类（采用移动语义）

3.相关习题*

习题一

习题二

4.写时拷贝

5.完整版string类的模拟实现[注意重定义]

MyString.h

MyString.c

test.c

一、经典的string类问题

1.出现的问题

模拟实现string容器的 构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数 

出错代码如下： 

// 类的定义
namespace imitate
{
	class string
	{
	public: 
		//string()            //无参构造函数
		//	:_str(nullptr)
		//{}

		//string(char* str)  //有参构造函数
		//	:_str(str)
		//{}

		string()
			:_str(new char[1])
		{
			_str[0] = '\0';
		}
		string(char* str)   //构造函数在堆上开辟一段strlen+1的空间+1是c_str
			:_str(new char[strlen(str)+1])
		{
			strcpy(_str, str); //strcpy会拷贝\0过去
		}

		//string(char* str="")   //构造函数在堆上开辟一段strlen+1的空间+1是c_str
		//	:_str(new char[strlen(str) + 1])
		//{
		//	strcpy(_str, str); //strcpy会拷贝\0过去
		//}
		size_t size() const
		{
			return strlen(_str);
		}
		bool empty()
		{
			return _str == nullptr;
		}
		char& operator[](size_t i)  //用引用返回不仅可以读字符，还可以修改字符
		{
			return _str[i];
		}

		~string()          //析构函数
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}
				const char* c_str() //返回C的格式字符串
		{
			return _str;
		}

	private:
		char* _str;
	};
}
// 测试
using namespace imitate;
void TestString1()
{
	string s1("hello");
	string s2;
	for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
	{
		s1[i] += 1;
		std::cout << s1[i] << " ";
	}
	std::cout << std::endl;
	for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)
	{
		s2[i] += 1;
		std::cout << s2[i] << " ";
	}
	std::cout << std::endl;
}
void TestString2()
{
	string s1("hello");
    
    //采用默认的构造函数
	string s2(s1); // 出错点 1
	std::cout << s1.c_str() << std::endl;
	std::cout << s2.c_str() << std::endl;

	string s3("world");
    
    //采用
	s1 = s3; // 出错点 2
	std::cout << s1.c_str() << std::endl;
	std::cout << s3.c_str() << std::endl;
}
int main()
{
	TestString1();
	TestString2();
	return 0;
}

出错点1：

string s2(s1); // 出错点 1

采用默认的拷贝构造函数，导致s2._str拷贝了s1._str所指向的地址，导致s1，s2的_str都指向同一块空间。测试函数2结束后，s2、s1指向相同的地址会被释放两次，会导致程序崩溃。

出错点2：

s1 = s3; // 出错点 2

采用默认赋值运算符重载，s3._str被赋予了s1._str所指向的地址，导致s1，s2的_str都指向同一块空间。测试函数2结束后，s3、s1指向相同的地址会被释放两次，会导致程序崩溃。

总结：采用 默认拷贝构造函数 和 默认赋值运算符重载 会导致一块空间会被多个类对象指向，导致多次释放同一空间，致使程序崩溃。这种拷贝方式，称为浅拷贝。

2.浅拷贝

浅拷贝指创建了一个新的对象，其中包含了原始对象的所有属性和值，但是对于原始对象中引用的其他对象，浅拷贝只是复制了其引用，而不是复制其实际值。

在浅拷贝中，新对象和原始对象之间共享同一个内存地址，所以如果修改其中一个对象的属性，则另一个对象的属性也会随之改变，因为它们引用同一个对象。浅拷贝通常比深拷贝更快，因为它只需要复制对象的引用，而不需要递归地复制对象的所有子对象。

3.深拷贝 

深拷贝指创建一个新对象，该对象是原始对象的完全副本，包括原始对象的所有属性和嵌套对象的属性。深拷贝会递归地复制所有嵌套的对象，而不仅仅是复制其引用。因此，原始对象和副本对象之间没有共享任何内存地址。

深拷贝可以防止副本对象的修改影响原始对象，因为它们是完全独立的。但是，深拷贝可能比浅拷贝更耗时，因为它需要递归地复制所有嵌套的对象。

如果类中有指向堆内存的指针或者使用了动态内存分配函数（如new、malloc等），则需要手动编写拷贝构造函数或赋值操作符来实现深拷贝。

二、string类的模拟实现

1.传统版的string类

C++ 的一个常见面试题是让你实现一个 String 类，限于时间，不可能要求具备 std::string 的功能，但至少要求能正确管理资源。
具体来说：能像 int 类型那样定义变量，并且支持赋值、复制。能用作函数的参数类型及返回类型。能用作标准库容器的元素类型，即 vector / list / deque 的 value_type。（用作 std::map 的 key_type 是更进一步的要求，本文从略）。换言之，你的 String 能让以下代码编译运行通过，并且没有内存方面的错误。
 

添加了自定义的 拷贝的构造函数 赋值运算符重载 

代码如下：

// 传统版的string类的模拟————类的定义
// ...
namespace imitate
{
	class string
	{
	public:
		string()
			:_str(new char[1])
		{
			_str[0] = '\0';
		}
		string(const char* str)
			:_str(new char[strlen(str) + 1])
		{
			strcpy(_str, str);
		}
		string(const string& s)
			:_str(new char[s.size() + 1])
		{
			strcpy(_str, s._str);
		}
		size_t size() const
		{
			return strlen(_str);
		}
		char& operator[](size_t i)
		{
			return _str[i];
		}
		~string()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}
		const char* c_str()
		{
			return _str;
		}
		// const 是因为对 str 不需要修改，安全性更高
        // 参数 & 是因为不需要传值拷贝、效率高
        // 返回值 & 是为了连续赋值（效率高）
		string& operator=(const string& str)
		{
			// 检查是否自己给自己赋值
			if (this != &str)
			{
                // 因为str为const修饰，所以要调用size()函数的话应给函数加上const修饰
				char* tmp = new char[str.size() + 1];
				strcpy(tmp, str._str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
			}
			return *this;
		}

	private:
		char* _str;
	};
}
// 测试代码
// ...
using namespace imitate;
void TestString()
{
	string s1;
	string s2("hello");
	for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++)
	{
		std::cout << s2[i] << " ";
	}
	std::cout << std::endl;
	s1 = s2;
	for (size_t i = 0; i < s1.size(); i++)
	{
		std::cout << s1[i] << " ";
	}
}
int main()
{
    TestString();
    return 0;
}

2.现代版的string类（采用移动语义）

现代版的string类采用swap函数的原因：实现C++11中的移动语义。

C++的移动语义

可以在不进行任何拷贝操作的情况下，将一个对象的所有权从一个对象转移到另一个对象。这个过程使用右值引用（rvalue references）实现。

移动语义的主要目的是优化C++代码的性能，减少不必要的内存分配和拷贝操作，提高程序的效率。当一个对象被移动而不是拷贝时，可以避免拷贝构造函数和析构函数的调用，从而提高程序的性能。

代码如下：

// 现代版的string类模拟————类的定义
// ...
namespace imitate
{
	class string
	{
	public:
		string()
			:_str(new char[1])
		{
			_str[0] = '\0';
		}
		string(const char* str)
			:_str(new char[strlen(str) + 1])
		{
			strcpy(_str, str);
		}
		string(const string& s) 
		// 使用swap函数，进行直接把所有权交予另一个对象
			:_str(nullptr)
		{
			string tmp(s._str);
			std::swap(_str, tmp._str);
		}
		size_t size() const
		{
			return strlen(_str);
		}
		char& operator[](size_t i)
		{
			return _str[i];
		}
		~string()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_str = nullptr;
			}
		}
		const char* c_str()
		{
			return _str;
		}
		string& operator=(const string& str)
		{
			if (this != &str)
			{
				//tmp 会在函数结束时自动调用其析构函数进行资源的释放
				string tmp(str._str);
				std::swap(_str, tmp._str);
			}
			return *this;
		}
	private:
		char* _str;
	};
}
// 测试代码
// ...
void TestString1()
{
	string s1;
	string s2("hello");
	string s3(s2);
	s1 = s3;
}
int main()
{
	TestString1();
	return 0;
}

3.相关习题*

习题一

习题二

注意：用一个对象初始化另一个对象时，例如 MyClass obj1; MyClass obj2 = obj1;

采用的是 拷贝构造函数 而非使用 重载运算符

4.写时拷贝

写时拷贝（Copy-On-Write，简称COW）是一种优化技术，它可以避免在数据复制时不必要的内存开销。写时拷贝的实现方式是，在数据需要被修改时，才会复制数据，而在数据未被修改时，共享同一份数据。

写时拷贝通常是通过使用智能指针实现的。智能指针可以跟踪指向的对象的引用计数，并在需要时进行复制。具体来说，当一个智能指针被拷贝时，它的引用计数会增加，而指向的对象不会被复制。当一个指向对象的智能指针需要修改对象时，它会先检查引用计数是否为1，如果是，说明这个对象没有被其他智能指针共享，可以直接修改，否则，它会先复制一份对象，并把引用计数减1，然后对复制后的对象进行修改。

5.完整版string类的模拟实现[注意重定义]

注意：

1.size_t imitate::string::npos = -1;不能放到头文件中，避免重定义问题。

2.将函数标记为"inline"可以消除重定义错误。

3.在头文件中定义了这些函数需要将它们标记为 inline，否则每个包含该头文件的源文件都会生成该函数的定义，从而导致链接错误。

MyString.h

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
#include<assert.h>

namespace imitate
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		static size_t npos;       //insert用的位置
	public:
		string(const char* str = " ")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		string(const string& s)
			: _size(0)
			, _capacity(0)
			, _str(nullptr)
		{
			string tmp(s._str);
			this->swap(tmp);
		}
		~string()
		{
			if (_str)
			{
				delete[] _str;
				_size = 0;
				_capacity = 0;
				_str = nullptr;
			}
		}


		string& operator=(string& s);


		void swap(string& s);


		void push_back(char c);
		

		void append(const char* str);
		void append(const string& s);


		string& operator+=(char c);
		string& operator+=(const char* str);
		string& operator+=(const string& s);


		string& insert(size_t pos, char c);
		string& insert(size_t pos, const char* str);
		string& insert(size_t pos, const string& s);

		string& erase(size_t pos, size_t len = npos);

		size_t find(char c, size_t pos = 0);
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
		size_t find(const string& s, size_t pos = 0);

		void resize(size_t newsize, char c = '\0');

		iterator begin()                //iterator迭代器的原理
		{
			return _str;
		}
		iterator end()
		{
			return (_str + _size);
		}

		const char* c_str()
		{
			return _str;
		}

		char& operator[](size_t i) const
		{
			return _str[i];
		}

		bool operator<(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str);
		}
		bool operator<=(const string& s)
		{
			return (strcmp(_str, s._str) == -1) || (strcmp(_str, s._str) == 0);
		}
		bool operator>(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str);
		}
		bool operator>=(const string& s)
		{
			return (strcmp(_str, s._str) == 1) || (strcmp(_str, s._str) == 0);
		}
		bool operator=(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str) == 0;
		}
		bool operator!=(const string& s)
		{
			return strcmp(_str, s._str);
		}

		bool empty()
		{
			return _size == 0;
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		size_t capacity()
		{
			return _capacity;
		}

	private:
		char* _str;
		size_t _size;             //已经有多少个有效字符个数
		size_t _capacity;         //能存多少个有效字符个数 \0不是有效字符，\0是标识结束的字符


		void CheckFull()
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 6 : _capacity * 2;
				char* tmp = new char[newcapacity + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = newcapacity;
			}
		}
	};

	inline std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, const string& s)
	{
		for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
		{
			_out << s[i];
		}
		return _out;
	}

	// 将函数标记为"inline"可以消除重定义错误

    // 在头文件中定义了这些函数需要将它们标记为 inline
	// 否则每个包含该头文件的源文件都会生成该函数的定义，从而导致链接错误
	inline std::istream& operator>>(std::istream& _in, string& s)
	{
		while (1)
		{
			char c;
			c = _in.get();
			if (c == ' ' || c == '\n')
			{
				break;
			}
			else
			{
				s += c;
			}
		}
		return _in;
	}
}

MyString.c

#include"MyString.h"

size_t imitate::string::npos = -1;

imitate::string& imitate::string::operator=(string& s)
{
	string tmp(s);
	string::swap(tmp);
	return *this;
}

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

void imitate::string::push_back(char c)
{
	this->CheckFull();
	_str[_size] = c;
	_size++;
	_str[_size] = '\0';
}

void imitate::string::append(const char* str)
{
	size_t len = strlen(str);
	if ((_size + len) > _capacity)
	{
		size_t newcapacity = _size + len;
		char* tmp = new char[newcapacity + 1];
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = newcapacity;
	}
	strcpy(_str + _size, str);
	_size += len;
}
void imitate::string::append(const string& s)
{
	if ((_size + s._size) > _capacity)
	{
		size_t newcapacity = _size + s._size;
		char* tmp = new char[newcapacity + 1];
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = newcapacity;
	}
	strcpy(_str + _size, s._str);
	_size += s._size;
}

imitate::string& imitate::string::operator+=(char c)
{
	this->push_back(c);
	return *this;
}
imitate::string& imitate::string::operator+=(const char* str)
{
	this->append(str);
	return *this;
}
imitate::string& imitate::string::operator+=(const string& s)
{
	this->append(s);
	return *this;
}

imitate::string& imitate::string::insert(size_t pos, char c)
{
	assert(pos <= _size);
	this->CheckFull();
	size_t end = _size;
	while (end >= pos)
	{
		_str[end + 1] = _str[end];
		end--;
	}
	_str[pos] = c;
	_size++;
	return *this;
}
imitate::string& imitate::string::insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos < _size);
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		size_t newcapacity = _size + len;
		char* tmp = new char[newcapacity + 1];
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = newcapacity;
	}
	size_t end = _size;
	while (end >= pos)
	{
		_str[end + len] = _str[end];
		end--;
	}
	for (size_t i = 0; i < len; ++i, ++pos)
	{
		_str[pos] = str[i];
	}
	_size += len;
	return *this;
}
imitate::string& imitate::string::insert(size_t pos, const string& s)
{
	assert(pos < _size);
	size_t len = s._size;
	if (_size + len > _capacity)
	{
		size_t newcapacity = _size + len;
		char* tmp = new char[newcapacity + 1];
		strcpy(tmp, _str);
		delete[] _str;
		_str = tmp;
		_capacity = newcapacity;
	}
	size_t end = _size;
	while (end >= pos)
	{
		_str[end + len] = _str[end];
		end--;
	}
	for (size_t i = 0; i < len; ++i, ++pos)
	{
		_str[pos] = s._str[i];
	}
	_size += len;
	return *this;
}

imitate::string& imitate::string::erase(size_t pos, size_t len)
{
	assert(pos < len);
	if (len >= _size-pos)
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		for (size_t i = pos + len; i <= _size; ++i)
		{
			_str[i - len] = _str[i];
		}
		_size = _size - len;
	}
	return *this;
}

size_t imitate::string::find(char c, size_t pos)
{
	iterator it = begin();
	while (it != end())
	{
		if (*it == c)
		{
			return it - begin();
		}
		it++;
	}
	return npos;
}
size_t imitate::string::find(const char* str, size_t pos)
{
	char* p = strstr(_str + pos, str);
	if (!p)
	{
		return npos;
	}
	return p - _str;
}
size_t imitate::string::find(const string& s, size_t pos)
{
	char* p = strstr(_str + pos, s._str);
	if (!p)
	{
		return npos;
	}
	return p - _str;
}

void imitate::string::resize(size_t newsize, char c)
{
	if (_size < newsize)
	{
		_str[newsize] = '\n';
		_size = newsize;
	}
	else
	{
		if (newsize > _capacity)
		{
			size_t newcapacity = newsize;
			char* tmp = new char[newcapacity + 1];
			strcpy(tmp, _str);
			delete[] _str;
			_str = tmp;
			_capacity = newcapacity;
		}
		for (size_t i = _size; i < newsize; ++i)
		{
			_str[i] = c;
		}
		_size = newsize;
		_str[_size] = '\0';
	}
}

test.c

#include"MyString.h"

using namespace imitate;

void test1()
{
	string s1;
	string s2("Hello");
	string s3(s2);
	string s4(" World!");

	s2.push_back('!');
	s2.append(" World!");
	s3.append(s4);

	s4 += s2;
	s2 += "Hi! Hi! Hi!";

}
void test2()
{
	string s2("Hello");
	string s3(s2);
	string s4(" World!");

	s2.insert(2, s4);
}
void test3()
{
	string s1("Hello");
	string s2(" World!");
	s1.append(s2);
	s1.find('a', 2);
	s1.find("World!", 7);
	s1.find(s2);

	std::cin >> s1;

	std::cout << s1;
}

int main()
{
	test3();
	std::cout << string::npos;
	return 0;
}

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&#x1f34e;道阻且长&#xff0c;行则将至。&#x1f353; &#x1f33b;算法&#xff0c;不如说它是一种思考方式&#x1f340; 算法专栏&#xff1a; &#x1f449;&#x1f3fb;123 一、&#x1f331;6390. 滑动子数组的美丽值 题目描述&#xff1a;给你一个长度为 n 的整…
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vulnhub DC：4渗透笔记

vulnhub DC：4渗透笔记

靶场下载地址:https://vulnhub.com/entry/dc416-2016,168/ 信息收集 使用nmap确定靶场ip地址 扫描ip确定开放端口 开放22 80端口&#xff0c;访问一下网页端(这边断了一次靶机ip改为192.168.100.138) 漏洞利用 登录框尝试爆破 发现用户名密码admin happy 登录进入后发现这里…
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【自然语言处理】【大模型】LaMDA：用于对话应用程序的语言模型

【自然语言处理】【大模型】LaMDA：用于对话应用程序的语言模型

LaMDA&#xff1a;用于对话应用程序的语言模型 《LaMDA: Language Models for Dialog Applications》 论文地址&#xff1a;https://arxiv.org/abs/2201.08239 相关博客 【自然语言处理】【大模型】LaMDA&#xff1a;用于对话应用程序的语言模型 【自然语言处理】【大模型】Dee…
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如何衡量 SLO 的有效性？

如何衡量 SLO 的有效性？

衡量 SLO 及错误预算策略是否有效&#xff0c;其实就是看实际运行后&#xff0c;是否真的能达到我们的期望。我们可以从下面三个关键维度来看。 SLO 达成情况。我们用达成&#xff08;Met&#xff09;&#xff0c;或未达成&#xff08;Missed&#xff09;来表示。“人肉”投入…
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阿里EGES

阿里EGES

EGES&#xff1a;Billion-scale Commodity Embedding for E-commerce Recommendation in Alibaba 阿里的EGES是Graph Embedding的一个经典应用&#xff0c;在内容冷启和物料召回上面有较多的落地潜力。主要思想是根据用户交互的物料作为节点构建物料图&#xff0c;在传统的Dee…
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（二）AIGC—Stable Diffusion(2)

（二）AIGC—Stable Diffusion(2)

越往后&#xff0c;加的噪声越多&#xff0c;逐渐递增 正常的话&#xff0c;类似RNN&#xff0c;前向传递&#xff0c;不利于模型训练。 如果直接从x0到xt最好&#xff0c;DPPM这篇论文就实现了这一目标 beta这一参数在扩散过程是已知的&#xff0c;前期设计好&#xff0c;从0…
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从0搭建Vue3组件库(六):前端流程化控制工具gulp的使用

从0搭建Vue3组件库(六):前端流程化控制工具gulp的使用

随着前端诸如webpack&#xff0c;rollup&#xff0c;vite的发展&#xff0c;gulp感觉似乎好像被取代了。其实并没有&#xff0c;只不过它从台前退居到了幕后。我们仍然可以在很多项目中看到它的身影&#xff0c;比如elementplus、vant等。现在gulp更多的是做流程化的控制。 比如…
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【算法题解】28.子集的递归解法

【算法题解】28.子集的递归解法

这是一道 中等难度 的题 题目来自&#xff1a; https://leetcode.cn/problems/subsets/ 题目 给你一个整数数组 nums &#xff0c;数组中的元素 互不相同 。返回该数组所有可能的子集&#xff08;幂集&#xff09;。 解集 不能 包含重复的子集。你可以按 任意顺序 返回解集。 …
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51单片机（二）成功点亮LED

51单片机（二）成功点亮LED

❤️ 专栏简介&#xff1a;本专栏记录了从零学习单片机的过程&#xff0c;其中包括51单片机和STM32单片机两部分&#xff1b;建议先学习51单片机&#xff0c;其实STM32等高级单片机的基础&#xff1b;这样再学习STM32时才能融会贯通。 ☀️ 专栏适用人群 &#xff1a;适用于想要…
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nuxt3 + pinia + swiper +element-plus + less + 腾讯地图 创建项目及使用

nuxt3 + pinia + swiper +element-plus + less + 腾讯地图 创建项目及使用

一。先说优点 1、基于Vue3&#xff1a; Nuxt3是基于Vue.js 3开发的&#xff0c;Vue.js 3是目前最流行的前端框架之一。 这意味着你可以利用Vue3的所有优势&#xff0c;如性能优化、响应式编程、更好的TypeScript支持等。2、服务端渲染&#xff08;SSR&#xff09;&#xff1a…
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C++之引用的介绍

C++之引用的介绍

目录 前言 引用 1.引用的概念 2.引用特性 3.引用的权限 4. 使用场景 4.1 做参数 4.2 做返回值 5.引用和指针的区别 前言 相信大家都看过水浒传&#xff0c;里面的英雄人物除了自己的名字外都有自己的称号&#xff0c;比如&#xff1a;花和尚——鲁智深&#xff0c;豹…
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centOS7.9安装nginx

centOS7.9安装nginx

此示例为安装nginx-1.20.1 &#xff08;小版本无差别&#xff09; 安装过程 sftp上传nginx-1.20.1.tar.gz文件到机器&#xff08;在root目录下&#xff09; #cd /usr/local/nginx/sbin #./nginx -V (查看版本&#xff0c;如果已经有安装过的话会出现版本号) 切换到loca…
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