string类
一、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。
二、string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。
- 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。
- 在使用 string 类时，必须包含 #include 头文件以及 using namespace std;
其中，string 类的许多接口可以点击链接-> string 查看。
在这里需要介绍一下迭代器，在 string 类中，迭代器其实就是原生指针，迭代器的使用如下：
#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
string s1("hello,world");
// 迭代器的使用，iterator 就是迭代器，它需要指定作用域
string::iterator it = s1.begin();
while (it != s1.end())
{
cout << *it << ' ';
it++;
}
cout << endl;
return 0;
}
其中 s1.begin(); 其实就是指向字符串开始的指针，s1.end() 就是指向 ‘\0’ 的指针。
三、模拟实现 string 类
下面我们直接开始模拟实现 string 类的接口，在实现的过程中讲解用法，注意，我们只模拟比较常见和重要的接口。
我们先观察 string 类的声明部分，先预览一下我们需要实现哪些接口：
0. string 类的声明
namespace Young
{
class String
{
public:
// 迭代器
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
iterator end();
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
// 构造
String(const char* str = "")
:_str(new char [strlen(str) + 1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(_size)
{
strcpy(_str, str);
}
// 析构
~String()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
// 交换
void swap(String& tmp)
{
::swap(_str, tmp._str);
::swap(_size, tmp._size);
::swap(_capacity, tmp._capacity);
}
// s2(s1)
// 拷贝构造
String(const String& str)
:_str(nullptr)
,_size(0)
,_capacity(0)
{
String tmp(str._str);
swap(tmp);
}
// s2 = s1
// 赋值运算符重载
String& operator=(const String& str)
{
if (this != &str)
{
String tmp(str._str);
swap(tmp);
}
return *this;
}
// 申请空间 -- 不改变 _size
void reserve(size_t n);
// 将空间调整为 n -- 改变 _size
void resize(size_t n, char c = '\0');
// 尾插字符
void push_back(char c);
String& operator+=(char c);
// 尾插字符串
void append(const char* str);
String& operator+=(const char* str);
// 清空字符串
void clear();
// 获取字符串长度
size_t size() const;
// 获取容量
size_t capacity() const;
// [] 重载 s[1]
const char& operator[](size_t index) const;
char& operator[](size_t index);
// 比较符号运算符重载
bool operator>(const String& s) const;
bool operator==(const String& s) const;
bool operator>=(const String& s) const;
bool operator<(const String& s) const;
bool operator<=(const String& s) const;
bool operator!=(const String& s) const;
// 返回它的字符串 -- 返回 char* 类型
const char* c_str() const;
// 判断是否为空字符串
bool empty() const;
// find -- 从pos位置开始查找字符/字符串
size_t find(char ch, size_t pos = 0) const;
size_t find(const char* str, size_t pos = 0) const;
// 获得从 pos 位置开始到 len 的子字符串；如果 len 不给值，默认到结尾
String substr(size_t pos, size_t len = npos) const;
// 在 pos 位置插入插入字符 ch 或字符串 str
String& insert(size_t pos, char ch);
String& insert(size_t pos, const char* str);
// 删除从 pos 位置开始 len 长度的字符串；如果 len 不给值就默认删到末尾
String& erase(size_t pos, size_t len = npos);
// 打印数据
void Print();
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
public:
const static size_t npos = -1;
};
// 流插入、流提取 cout << s1;
ostream& operator<<(ostream& out, const String& s);
istream& operator>>(istream& in, String& s);
}
1. 构造函数
构造函数往往是实现一个类首先需要考虑的，而 string 类的成员变量分别有 char* _str; size_t _size; size_t _capacity; ，虽然都是内置类型，但是 char* 类型需要我们手动申请空间，所以需要我们显式写构造函数：
// 构造函数
String(const char* str = "")
:_str(new char [strlen(str) + 1])
,_size(strlen(str))
,_capacity(_size)
{
strcpy(_str, str);
}
我们在构造函数中给了缺省值 "" 即空字符串；我们在申请空间的时候往往是要申请比 str 多一个空间，因为需要存放 '\0'；最后我们使用 strcpy 函数将 str 拷贝到 _str 即可。
2. 析构函数
因为 string 类是我们手动申请空间的，所以要我们手动释放，析构函数如下：
// 析构函数
~String()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
要注意使用 delete 需要匹配使用。
3. 拷贝构造函数
在这里的拷贝构造函数中，我们就需要回顾一下浅拷贝和深拷贝了，我们此前也在 类和对象(中篇) 了解过，现在来回顾一下。
- 浅拷贝： 也称值拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，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。
我们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。
- 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。
下面我们自己显式写一个 string 类的拷贝构造函数：
// String s2(s1);
// 拷贝构造
String(const String& str)
:_str(nullptr)
,_size(0)
,_capacity(0)
{
String tmp(str._str);
swap(tmp);
}
注意，上面的拷贝构造中，假设是这样： String s2(s1); 则 _str 就是 s2 对象的，str 是 s1 对象的，我们的思路是首先将 _str 走初始化列表置空，_size 和 _capacity 置零，然后利用构造函数 String tmp(str._str); 实例化一个 tmp 对象，此时 tmp 相当于是 s1 ，最后将 s2 和 tmp 对象中的资源交换，即完成了 s1 拷贝给 s2；而且出了作用域 tmp 还会自动调用析构函数析构。
注意以上的 swap 函数也是 string 类中的，所以也需要我们自己实现，实现如下：
// 交换
void swap(String& tmp)
{
std::swap(_str, tmp._str);
std::swap(_size, tmp._size);
std::swap(_capacity, tmp._capacity);
}
在实现中，我们再利用标准库中的 swap 函数帮助我们完成 string 类的swap 函数。
使用和结果如下图：
4. 赋值运算符重载
赋值运算符重载也和拷贝构造差不多，实现如下：
// s2 = s1
// 赋值运算符重载
String& operator=(const String& str)
{
if (this != &str)
{
String tmp(str._str);
swap(tmp);
}
return *this;
}
使用和结果如下：
5. 迭代器
string 类的迭代器其实就是原生指针，声明在上面的 string 类声明中，下面我们直接实现：
// 迭代器
Young::String::iterator Young::String::begin()
{
return _str;
}
Young::String::iterator Young::String::end()
{
return _str + _size;
}
Young::String::const_iterator Young::String::begin() const
{
return _str;
}
Young::String::const_iterator Young::String::end() const
{
return _str + _size;
}
由于我们是声明和定义分离写，所以在 iterator/const_iterator 和 begin()/end() 前都要指定我们的作用域；其中 iterator/const_iterator 分别是普通对象调用的迭代器和 const 对象调用的迭代器；begin()/end() 分别是指向字符串的头和尾的指针。
6. 元素访问：[] 重载
为了方便访问 string，我们可以重载 [] 可以直接访问下标，实现如下：
const对象：
const char& Young::String::operator[](size_t index) const
{
assert(index < _size);
return _str[index];
}
普通对象：
char& Young::String::operator[](size_t index)
{
assert(index < _size);
return _str[index];
}
7. 流插入与流提取重载
在使用 string 的时候，为了方便查看字符串，我们可以重载流插入和流提取，方便打印查看字符串；在以前讲过，我们为了方便我们的使用以及体现流插入和提取的使用价值，我们要在类外面实现，防止 this 指针抢占第一个参数位置，实现如下：
// 流插入 cout << s1;
ostream& Young::operator<<(ostream& out, const String& s)
{
for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
{
out << s[i];
}
return out;
}
流插入中我们只需要将每一个字符打印出来即可；
// 流提取 cin >> s
istream& Young::operator>>(istream& in, String& s)
{
s.clear();
char buff[129];
size_t i = 0;
char ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n')
{
buff[i++] = ch;
if (i == 128)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
ch = in.get();
}
if (i != 0)
{
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
return in;
}
我们创建一个 buff 数组，存放输入的字符，当 buff 数组满了就一把插入到对象中，避免频繁开辟空间；因为流提取默认遇到 ' ' 或 '\0' 就结束，所以我们需要用 cin 的成员函数 get() 提取到 ' ' 或 '\0' ，方便我们判断结束条件。
8. 与容量相关的接口
（1）size
获取字符串的有效长度，实现：
size_t Young::String::size() const
{
return _size;
}
（2）capacity
获取字符串的容量，实现：
size_t Young::String::capacity() const
{
return _capacity;
}
（3）clear
清空字符串的内容，实现：
void Young::String::clear()
{
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
清空字符串的内容并不是销毁空间，所以只需要在下标为 0 位置加上 '\0' 即可，并将长度置 0.
（4）empty
判断字符串是否为空字符串，实现：
bool Young::String::empty() const
{
return _size == 0;
}
只需要判断 _size 是否为 0.
上面四个接口的使用如下：
（5）reserve
我们可以查看 reserve 接口的相关文档：
其实就是申请 n 个空间，reserve 有保留的意思，就是有保留 n 个空间的意思，n 大于 _capacity 就改变空间，小于则不用改变；注意 reserve 不改变 _size 的值；其实现如下：
// 申请空间
void Young::String::reserve(size_t n)
{
if (n > _capacity)
{
char* tmp = new char[n + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
假设需要申请 n 个空间，就需要申请 n+1 空间，给 '\0' 预留一个空间；然后将原来字符串中的内容拷贝到新开辟的空间中，然后销毁原来的空间 _str，让原来的空间 _str 指向新的空间 tmp。
（6）resize
reserve 和 resize 的区别就是 resize 是调整空间的大小，并可以初始化空间，resize 是可以改变 _size 的值的。
// 调整空间+初始化
void Young::String::resize(size_t n, char c)
{
// 如果 n 大于 _size，直接申请 n 个空间，然后从原来的尾部开始初始化
if (n > _size)
{
reserve(n);
for (size_t i = _size; i < n; i++)
{
_str[i] = c;
}
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
// 否则，删数据
else
{
_str[n] = '\0';
_size = n;
}
}
初始化的字符如果没有显式传，会使用我们在声明处给的缺省值 '\0。
9. 修改字符串的相关接口
（1）push_back
尾插，在字符串尾部插入一个字符，我们先看原文档：
实现如下：
// 尾插字符
void Young::String::push_back(char c)
{
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size++] = c;
_str[_size] = '\0';
}
尾插之前需要判断容量是否已经满了，满了就要扩容；或者容量是 0，我们就默认开 4 个容量。
（2）append
追加字符串，我们先看文档：
文档中重载了许多接口，我们在这里只实现一个接口，就是尾插字符串，也就是上图中的第三个接口，实现如下：
// 尾插字符串
void Young::String::append(const char* str)
{
int len = strlen(str);
// 空间不够扩容
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
strcpy(_str + _size, str);
_size += len;
}
（3）+= 运算符重载
+= 运算符也是追加字符、字符串、string 对象，我们在这里实现追加字符和字符串，也就是尾插，其实现如下：
//尾插字符
Young::String& Young::String::operator+=(char c)
{
push_back(c);
return *this;
}
有了之前实现的 push_back 和 append ，我们只需要复用它们就可以实现了；
// 尾插字符串
Young::String& Young::String::operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}
以上四个接口的使用与流插入流提取的使用如下：
（4）insert
insert 是在 pos 位置插入字符 ch 或字符串 str，我们就实现插入字符或字符串的接口，实现如下：
// 插入字符
Young::String& Young::String::insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos < _size);
// 满了就扩容
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
// 挪动数据
size_t end = _size + 1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
// 插入字符
_str[pos] = ch;
_size++;
return *this;
}
插入字符串：
Young::String& Young::String::insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos < _size);
// 判断插入字符串的长度是否会满
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity)
{
reserve(_size + len);
}
// 挪动数据
size_t end = _size + len;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
// 拷贝数据1.
/*for (size_t i = pos; i < len; i++)
{
_str[i] = str[i];
}*/
// 拷贝数据2.
strncpy(_str + pos, str, len);
_size += len;
return *this;
}
（5）erase
erase 是删除从 pos 位置开始 len 长度的字符串；如果 len 不给值就默认删到末尾；
到末尾我们需要在声明处定义一个 npos 的静态无符号变量，将它定义为 -1 ，因为是无符号，所以它是整型的最大值，我们在缺省值处给 npos ，即可取到末尾。注意，如果声明和定义分离写，缺省值只能给在声明处。
实现如下：
Young::String& Young::String::erase(size_t pos, size_t len)
{
assert(pos < _size);
// 删到末尾
if (len == npos || pos + len > _size)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
// 删 len 长度
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
return *this;
}
insert 和 erase 的使用如下图：
10. 操作字符串的接口
（1）c_str
返回它的字符串 - 返回 char* 类型，实现：
const char* Young::String::c_str() const
{
return _str;
}
（2）find
find 是查找函数的接口，从 pos 位置开始查找字符/字符串，pos 不给值默认下标从 0 开始找，实现如下：
查找字符：
size_t Young::String::find(char ch, size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
{
// 返回下标
return i;
}
}
return npos;
}
查找字符串：
size_t Young::String::find(const char* str, size_t pos) const
{
assert(pos < _size);
assert(str);
const char* ret = strstr(_str + pos, str);
if (ret == nullptr)
return npos;
// 下标相减，返回下标
return ret - _str;
}
strstr 是查找匹配字串的库函数，它的返回值是如果找到就返回匹配字串的开头，否则返回空。
（3）substr
substr 是获得从 pos 位置开始到 len 的子字符串；如果 len 不给值，默认到结尾，即 npos，实现如下：
Young::String Young::String::substr(size_t pos, size_t len) const
{
assert(pos < _size);
// 创建一个临时对象 tmp
String tmp;
// end 为取到的子串的结尾的下标
size_t end = pos + len;
// 取到末尾
if (len == npos || end > _size)
{
len = _size - pos;
end = _size;
}
// 申请 len 的空间
tmp.reserve(len);
// 开始取子串
for (size_t i = pos; i < end; i++)
{
tmp += _str[i];
}
return tmp;
}
一般 find 和 substr 一起使用，它们的使用场景可以将一个网址分割成协议、域名、资源名，使用如下：
11. 比较运算符重载
我们也像以前一样，只需要实现 > 和 == 运算符，其它的都复用这两个就可以了，实现如下：
bool Young::String::operator>(const String& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) > 0;
}
bool Young::String::operator==(const String& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool Young::String::operator>=(const String& s) const
{
return *this > s || *this == s;
}
bool Young::String::operator<(const String& s) const
{
return !(*this >= s);
}
bool Young::String::operator<=(const String& s) const
{
return !(*this > s);
}
bool Young::String::operator!=(const String& s) const
{
return !(*this == s);
}
使用和结果如下：
