【C++】string使用模拟实现

news2024/11/25 4:40:22

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文章目录

  • 前言
    • 为什么学习string类？
  • 1. string函数常用接口介绍
    • 1.1 string容器基本概念
    • 1.2 string构造函数
    • 1.3 string访问和修改
    • 1.4 string插入和删除
    • 1.5 string赋值操作
    • 1.5 string字符串拼接
    • 1.7 string查找和替换
    • 1.8 string子串
    • 1.9 string类对象的容量操作
  • 2. string类的模拟实现
    • 实现string的构造
    • 实现string的析构函数
    • 实现reserve和resize
    • 实现string的拷贝构造
    • 实现string赋值运算符重载
    • 实现string的insert函数
    • mini版string完整代码

前言

为什么学习string类？

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。

在刷OJ题中，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。

1. string函数常用接口介绍

1.1 string容器基本概念

string类的文档介绍

本质：

  • string是C++风格的字符串，而string本质上是一个类
  • 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。

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

string和char * 区别：

  • char * 是一个指针
  • string是一个类，类内部封装了char*，管理这个字符串，是一个char*型的容器。

特点：

string 类内部封装了很多成员方法

例如：查找find，拷贝copy，删除delete 替换replace，插入insert

string管理char*所分配的内存，不用担心复制越界和取值越界等，由类内部进行负责

1.2 string构造函数

官方提供的所有构造函数

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我们已学习的角度主要重点掌握以下几个

构造函数原型：

  • string(); //创建一个空的字符串 例如: string str;
    string(const char* s); //使用字符串s初始化
  • string(const string& str); //使用一个string对象初始化另一个string对象
  • string(int n, char c); //使用n个字符c初始化

示例：

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

int main() 
{
	//string构造
	string s1; //创建空字符串，调用无参构造函数
	cout << "str1 = " << s1 << endl;

	const char* str = "hello world";
	string s2(str); //把c_string转换成了string

	cout << "str2 = " << s2 << endl;

	string s3(s2); //调用拷贝构造函数
	cout << "str3 = " << s3 << endl;

	string s4(10, 'a');
	cout << "str3 = " << s3 << endl;
	return 0;
}

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1.3 string访问和修改

string中单个字符存取方式有两种

  • char& operator[](int n); //通过[]方式取字符
  • char& at(int n); //通过at方法获取字符

示例：

void test01()
{
	string str = "hello world";

	for (int i = 0; i < str.size(); i++)
	{
		cout << str[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	for (int i = 0; i < str.size(); i++)
	{
		cout << str.at(i) << " ";
	}
	cout << endl;


	//字符修改
	str[0] = 'x';
	str.at(1) = 'x';
	cout << str << endl;
	
}

int main() {

	test01();
	return 0;
}

总结：string字符串中单个字符存取有两种方式，利用 [ ] 或 at

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1.4 string插入和删除

功能描述：

  • 对string字符串进行插入和删除字符操作

函数原型：

  • string& insert(int pos, const char* s); //插入字符串
  • string& insert(int pos, const string& str); //插入字符串
  • string& insert(int pos, int n, char c); //在指定位置插入n个字符c
  • string& erase(int pos, int n = npos); //删除从Pos开始的n个字符

示例：

//字符串插入和删除
int main() {
	string str = "hello";
	str.insert(1, "111");
	cout << str << endl;

	str.erase(1, 3);  //从1号位置开始3个字符
	cout << str << endl;
	return 0;
}

**总结：**插入和删除的起始下标都是从0开始

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1.5 string赋值操作

功能描述：

  • 给string字符串进行赋值

赋值的函数原型：

  • string& operator=(const char* s); //char*类型字符串 赋值给当前的字符串
  • string& operator=(const string &s); //把字符串s赋给当前的字符串
  • string& operator=(char c); //字符赋值给当前的字符串
  • string& assign(const char *s); //把字符串s赋给当前的字符串
  • string& assign(const char *s, int n); //把字符串s的前n个字符赋给当前的字符串
  • string& assign(const string &s); //把字符串s赋给当前字符串
  • string& assign(int n, char c); //用n个字符c赋给当前字符串

示例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
    //赋值
	string str1;
	str1 = "hello world";
	cout << "str1 = " << str1 << endl;

	string str2;
	str2 = str1;
	cout << "str2 = " << str2 << endl;

	string str3;
	str3 = 'a';
	cout << "str3 = " << str3 << endl;

	string str4;
	str4.assign("hello c++");
	cout << "str4 = " << str4 << endl;

	string str5;
	str5.assign("hello c++",5);
	cout << "str5 = " << str5 << endl;


	string str6;
	str6.assign(str5);
	cout << "str6 = " << str6 << endl;

	string str7;
	str7.assign(5, 'x');
	cout << "str7 = " << str7 << endl;

	return 0;
}

总结：

​ string的赋值方式很多，operator= 这种方式是比较实用的

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1.5 string字符串拼接

功能描述：

  • 实现在字符串末尾拼接字符串

函数原型：

  • string& operator+=(const char* str); //重载+=操作符
  • string& operator+=(const char c); //重载+=操作符
  • string& operator+=(const string& str); //重载+=操作符
  • string& append(const char *s); //把字符串s连接到当前字符串结尾
  • string& append(const char *s, int n); //把字符串s的前n个字符连接到当前字符串结尾
  • string& append(const string &s); //同operator+=(const string& str)
  • string& append(const string &s, int pos, int n);//字符串s中从pos开始的n个字符连接到字符串结尾

示例：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
	//字符串拼接
	string str1 = "我";

	str1 += "爱玩游戏";

	cout << "str1 = " << str1 << endl;

	str1 += ':';

	cout << "str1 = " << str1 << endl;

	string str2 = "Minecraft";

	str1 += str2;

	cout << "str1 = " << str1 << endl;

	string str3 = "I";
	str3.append(" love ");
	str3.append("game abcde", 4);
	//str3.append(str2);
	str3.append(str2, 4, 3); // 从下标4位置开始 ，截取3个字符，拼接到字符串末尾
	cout << "str3 = " << str3 << endl;

	return 0;
}

总结：字符串拼接的重载版本很多，重点记住几种即可

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注意：

  1. 在string尾部追加字符时，s.push_back© / 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。

  2. 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。

1.7 string查找和替换

功能描述：

  • 查找：查找指定字符串是否存在
  • 替换：在指定的位置替换字符串

函数原型：

  • int find(const string& str, int pos = 0) const; //查找str第一次出现位置,从pos开始查找
  • int find(const char* s, int pos = 0) const; //查找s第一次出现位置,从pos开始查找
  • int find(const char* s, int pos, int n) const; //从pos位置查找s的前n个字符第一次位置
  • int find(const char c, int pos = 0) const; //查找字符c第一次出现位置
  • string& replace(int pos, int n, const string& str); //替换从pos开始n个字符为字符串str
  • string& replace(int pos, int n,const char* s); //替换从pos开始的n个字符为字符串s

示例：

//查找和替换
void test01()
{
	//查找
	string str1 = "abcdefgde";

	int pos = str1.find("de");

	if (pos == -1)
	{
		cout << "未找到" << endl;
	}
	else
	{
		cout << "pos = " << pos << endl;
	}
	

	pos = str1.rfind("de");

	cout << "pos = " << pos << endl;

}

void test02()
{
	//替换
	string str1 = "abcdefgde";
	str1.replace(1, 3, "1111");

	cout << "str1 = " << str1 << endl;
}

int main() {

	test01();
	test02();
	return 0;
}

总结：

  • find找到字符串后返回查找的第一个字符位置，找不到返回-1
  • replace在替换时，要指定从哪个位置起，多少个字符，替换成什么样的字符串

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1.8 string子串

功能描述：

  • 从字符串中获取想要的子串

函数原型：

  • string substr(int pos = 0, int n = npos) const; //返回由pos开始的n个字符组成的字符串

示例：

//子串
int main() {

	string str = "abcdefg";
	string subStr = str.substr(1, 3);
	cout << "subStr = " << subStr << endl;

	string email = "hello@sina.com";
	int pos = email.find("@");
	string username = email.substr(0, pos);
	cout << "username: " << username << endl;

	return 0;
}

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1.9 string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）将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充
#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{
	string s("hello world");
	cout << "字符串s的长度为："<<s.size() << endl;

	s.resize(20, '!');
	cout <<"resize()之后的s："<< s << endl;
	cout << "字符串s的长度为：" << s.size() << endl;

	cout << endl;
	cout << "字符串s的修改前的容量为为：" << s.capacity() << endl;
	s.reserve(95);
	cout << "字符串s的修改后的容量为为：" << s.capacity() << endl;

	return 0;
}

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注意：

  1. 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()。

  2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。

  3. 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。

  4. 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。

2. string类的模拟实现

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，面试官总喜欢让我们自己
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。

这里主要把最主要的几个函数接口实现特殊拿出来处理，其他的完整实现就放在最下面的mini版string完整代码中

实现string的构造

string的构造有很多，我们没必要全部实现，只需实现最主要的即可！

下面我们用一个缺省的构造函数，可以实现无参和有参字符串的构造。

为了避免和C++标椎库中的string冲突，我们可以用命名空间封装起来，下面全部的模拟实现都在该命名空间中

namespace hdm
{
	class string
	{
	public:
		//构造函数
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
	private:
		char * _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;

		const static size_t  npos = -1;
	};
}

实现string的析构函数

析构函数相对来说比较简单，我们只需要对字符串的空间进行释放即可

~string()
{
	delete[]_str;
	_str = nullptr;
	_capacity = _size = 0;
}

实现reserve和resize

reserve是为字符串预留空间，简单来说就是用来预先开辟好空间(扩容)，避免后续频繁扩容。

resize是将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充，具体代码如下

注意：resize要分情况讨论

void reserve(size_t n)
{
	if (n > _capacity)
	{
		char * tem = new char[n + 1];
		strcpy(tem, _str);
		delete[] _str;
		_str = tem;
		_capacity = n;
	}
}

void resize(size_t n, const char c)
{
	if (n > _capacity)
	{
		reserve(n);
		for (size_t i = _size; i < n; ++i)
		{
			push_back(c);
		}
	}
	else if (n > _size)
	{
		for (size_t i = _size; i < n; ++i)
		{
			push_back(c);
		}
	}
	_size = n;
	_str[_size] = '\0';
}

实现string的拷贝构造

string的拷贝构造有两种写法

  1. 老老实实中规中矩的写法

    重新开辟一个空间，将字符串拷贝到新空间上

//传统写法
string(const string& s)
{
	_str = new char[s._capacity + 1];
	_capacity = s._capacity;
	_size = s._size;
	strcpy(_str, s._str);
}
  1. 现代写法

可以叫工具人写法，直接用要拷贝对象的字符串来构造一个临时对象，然后用它来交换即可

//现代写法
string(const string &s)
	:_str(nullptr)
	, _size(0)
	, _capacity(0)
{
	string tem(s._str);
	swap(tem);
}

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

实现string赋值运算符重载

string的赋值运算符重载也有两种方式实现

  1. 老老实实中规中矩的写法

自己开空间，自己拷贝数据

//传统写法
string& operator=(const string &s)
{
	if (this != &s)
	{
		char * tem = new char[s._capacity + 1];
		strcpy(tem, s._str);
		delete[] _str;
		_str = tem;
		_capacity = s._capacity;
		_size = s._size;
	}

	return *this;
}
  1. 现代写法

也是工具人写法，本质上跟拷贝构造一个道理

//现代写法
string& operator=(string s)
{
	swap(s);
	return *this;
}
void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_size, s._size);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
}

实现string的insert函数

string的insert函数有两个，一种是插入一个字符，另一种是插入一个字符串

其中插入一个字符相对来说比较简单，对于插入一个字符串的边界处理比较考验对代码的把控。

  1. 插入一个字符
// 在pos位置上插入字符c
string& insert(size_t pos, char c)
{
	assert(pos <= _size);
	if (_size == _capacity)
	{
		size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
		reserve(newcapacity);
	}

	for (size_t i = _size + 1; i > pos; --i)
	{
		_str[i] = _str[i - 1];
	}
	_str[pos] = c;
	_size++;
	return *this;
}
  1. 插入一个字符串
// 在pos位置上插入字符串str
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos <= _size);
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len >= _capacity)
	{
		reserve(_size + len);
	}
	size_t end = _size + len;
	while (end > pos + len - 1)//将pos到_size中的字符往后移
	{
		_str[end] = _str[end - len];
		--end;
	}
	strncpy(_str + pos, str, len);//在pos位置插入str
	_size += len;
	return *this;
}

mini版string完整代码

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

namespace hdm
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;//迭代器

		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str);
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}

		//传统写法
		/*string(const string& s)
		{
			_str = new char[s._capacity + 1];
			_capacity = s._capacity;
			_size = s._size;
			strcpy(_str, s._str);
		}
*/
		//现代写法
		string(const string &s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			string tem(s._str);
			swap(tem);
		}

		//传统写法
		//string& operator=(const string &s)
		//{
		//	if (this != &s)
		//	{
		//		char * tem = new char[s._capacity + 1];
		//		strcpy(tem, s._str);
		//		delete[] _str;
		//		_str = tem;
		//		_capacity = s._capacity;
		//		_size = s._size;
		//	}

		//	return *this;
		//}
		
		//现代写法
		string& operator=(string s)
		{
			swap(s);
			return *this;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_capacity = _size = 0;
		}

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

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


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

		// iterator

		iterator begin()const 
		{
			return _str;
		}

		iterator end()const
		{
			return _str + _size;
		}

		// modify

		void push_back(char c)
		{
			if (_capacity == _size)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				char *tem = new char[newcapacity + 1];
				_str = tem;
				_capacity = newcapacity;
			}
			_str[_size++] = c;
			_str[_size] = '\0';
		}

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

		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}

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

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


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

		size_t capacity()const
		{
			return _capacity;
		}

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

		void resize(size_t n, char c = '\0')
		{
			if (n>_capacity)
			{
				reserve(n);
				memset(_str + _size, c, n - _size);
			}
			else if (n<_capacity && n>_size)
			{
				memset(_str + _size, c, n - _size);
			}
			_size = n;
			_str[n] = '\0';

		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char *tem = new char[n + 1];
				strcpy(tem, _str);
				delete[] _str;
				_str = tem;
				_capacity = n;
			}
		}

		//relational operators
		bool operator<(const string& s)const
		{
			return !(*this>s);
		}

		bool operator<=(const string& s)const
		{
			return *this < s || *this == s;
		}

		bool operator>(const string& s)const
		{
			if (strcmp(_str, s._str) > 0)
			{
				return true;
			}
			return false;
		}

		bool operator>=(const string& s)const
		{
			return !(*this <= s);
		}

		bool operator==(const string& s)const
		{
			return strcmp(_str, s._str) == 0;
		}

		bool operator!=(const string& s)const
		{
			return !(*this == 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
		{
			for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
			{
				if (_str[i] == c)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}
		// 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
		{
			char* tem=strstr(_str + pos, s);
			return tem - _str;;
		}

		// 在pos位置上插入字符c
		string& insert(size_t pos, char c)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newcapacity);
			}

			for (size_t i = _size + 1; i > pos; --i)
			{
				_str[i] = _str[i - 1];
			}
			_str[pos] = c;
			_size++;
			return *this;
		}
        // 在pos位置上插入字符串str
		string& insert(size_t pos,const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len >= _capacity)
			{
				reserve(_size + len);
			}
			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;
		}


		// 删除pos位置上的元素
		string& erase(size_t pos, size_t len=npos)
		{
			assert(pos < _size);
			if (pos + len>_size)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				strncpy(_str + pos, _str + pos + len, _size-len+1);
				_size -= len;
			}

			return *this;
		}


	private:
		char* _str;
		size_t _capacity;
		size_t _size;

		const static size_t npos = -1;
	};

	ostream& operator<< (ostream& out, 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' };
		char ch = in.get();
		int i = 0;
		while (ch != ' '&& ch != '\n')
		{
			if (i == 127)
			{
				s += buff;
				i = 0;
			}
			buff[i++] = ch;
			ch = in.get();
		}
		if (i > 0)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
		}
		return in;
	}
}

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