【C++ STL】模拟实现 string

标题:【C++ :: STL】手撕 STL _string

@水墨不写bug


(图片来源于网络)


        C++标准模板库(STL)中的string是一个可变长的字符序列,它提供了一系列操作字符串的方法和功能。

        本篇文章,我们将模拟实现STL的string类的部分功能,以增强对STL的熟练度,了解STL容器的工作原理,积累项目经验,也为将来自主实现和改造容器奠定坚实的基础。

        STL的string类是一个模板,而我们为了方便实现,以达到练习的目的,我们暂时先实现一个成员变量为(下图示)的string类。    

char* _str;
size_t _size;//字符串长度,不加上\0
size_t _capacity;
		

C++ STL的string类提供了以下常用的成员函数和接口:

  1. 构造函数和赋值操作函数接口:

    • 默认构造函数:创建一个空字符串。
    • 带string参数的构造函数:将一个string对象复制到另一个string对象中。
    • 带字符数组参数的构造函数:将字符数组转换为string对象。
    • 带整数参数的构造函数:将整数转换为字符串。
    • 赋值操作符:用另一个string对象、字符数组或字符来赋值。
  2. 访问字符串内容相关函数接口:

    • at():返回指定位置的字符。
    • operator[]:返回指定位置的字符。
    • front():返回第一个字符。
    • back():返回最后一个字符。
    • c_str():返回一个以空字符结尾的字符数组。
  3. 修改字符串内容接口:

    • insert():在指定位置插入字符、字符串或字符数组。
    • erase():删除指定位置的字符。
    • replace():替换指定位置的字符串或字符。
    • append():在字符串末尾添加字符、字符串或字符数组。
    • clear():清空字符串。
  4. 字符串操作接口:

    • size() 或 length():返回字符串的长度。
    • empty():判断字符串是否为空。
    • find():查找指定字符串或字符的位置。
    • substr():返回指定位置和长度的子字符串。
    • compare():比较两个字符串

 (具体用法在上一篇讲解:【Cpp::STL】标准模板库_ string详解) 


(一)头文件

        我们在C语言阶段实现声明和定义分离的时候,只是单一的把函数的定义放在.c(源)文件,把函数的声明,头文件的包含,宏定义等放在.h(头)文件。

        但是,在C++,不仅要遵守以上的规则,由于类的出现,需要域作用限定符(::)来限定方位;由于成员的访问权限的出现,需要考虑访问权限的问题;此外不同类型的成员的定义的位置也有讲究,比如静态成员尽量不要直接定义在头文件中,因为这会引发  多次包含多文件   在链接时的  头文件内的对象的重定义问题。

        本文根据STL标准模板库的功能,给出头文件,包括string类的定义,众多成员函数,部分非成员函数(流插入,流提取的重载),并在后半节详细讲解各个函数的实现思路。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cassert>
using namespace std;

namespace ddsm 
{
	class string 
	{
		friend ostream& operator<<(ostream& out, const string& s1);
	public:
		//迭代器
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;
		iterator begin();
		const_iterator begin() const;
		iterator end();
		const_iterator end() const;

		//传参构造,默认构造,给默认值为空串,巧妙
		string(const char* str = "");
		string(const string& s);//copy constructor
		//string& operator=(const string& s);传统写法
		string& operator=(const char* s);
		string& operator=(string s);//现代写法

		//析构
		~string();
		//C类型字符串
		const char* c_str() const;

		//保留
		void reserve(int n);
		string& push_back(const char ch);//尾插字符
		string& append(const char* str);//尾插字符串

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

		string& insert(size_t pos, const char ch);
		string& insert(size_t pos, const char* str);
		
		//缺省值代表最一般的情况
		string& erase(size_t pos = 0,size_t len = npos);
	
		//找一个字符
		size_t find(const char ch, size_t pos = 0);
		//找一个子串
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
		void swap(string& s);

		string substr(size_t pos = 0,size_t len = npos);
	
		string& clear();
	private:
		char* _str;
		size_t _size;//字符串长度,不加上\0
		size_t _capacity;
		
		//特例,const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误
		static size_t npos;
	};
	istream& operator>>(istream& in, string& s);
	

};

(二)string类的功能实现

(1)默认成员函数

i,构造函数

        我们知道,构造函数的作用是在对象实例化时初始化对象,对于string类对象,含有三个基本成员变量:

        char* _str;
		size_t _size;//字符串长度,不加上\0
		size_t _capacity;

        经过分析,我们得知在构造函数内部,需要申请动态的堆区空间给_str;需要根据_str的长度变化来动态更新_size;同时根据申请的动态空间的长度来更新_capacity。

        于是,我们理所当然的想到这样写构造函数:

string::string(const char* str = "")
// 缺省参数为一个空字符串,如果不传参,空字符串就是一个单独的'\0'
	:_size(strlen(str))
    ,_capacity(strlen(str))
{
	_str = new char[_size + 1];
	strcpy(_str, str);
}

        但是,这种简单易懂的写法也暴露出了弊端:多次无意义的重复调用strlen,这会造成额外的消耗。于是,为了减少strlen的调用次数,我们考虑这样修改:

        

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

        这样修改虽然解决了strlen重复无意义调用的问题,但是也带来了新的问题:

程序稳定性下降的问题:

¥¥我们知道:初始化列表的初始化顺序是成员函数在类中的声明顺序:按照此例:

        char* _str;
		size_t _size;//字符串长度,不加上\0
		size_t _capacity;

        先初始化_size,再初始化_capacity;在这种背景下,如果代码有一些微小的改变,或许就会造成意想不到的问题。

        如果改变成员变量的顺序,那么初始化列表就会按照不同的顺序初始化。具体来说,如果_capacity在_size之前,初始化列表就会先初始化_capacity:

        char* _str;
		size_t _capacity;
		size_t _size;//字符串长度,不加上\0

        这时_size还没有初始化,是随机值,那么就造成了_capacity为随机值的问题。

解决这个问题其实很简单,将对_capacity的初始化放入函数体:

string::string(const char* str)
	//strlen较低效,调用一次用size记录返回值
	//size/capacity不包含\0,但是其需要存储
	:_size(strlen(str))
{
	_str = new char[_size + 1];
	_capacity = _size;
	strcpy(_str, str);
}

        这样就确定了是先初始化_size,再初始化_capacity。¥¥

        (将声明和定义分离,需要将缺省参数放在声明处,同时函数名之前需要加上域作用限定符,表示这个函数在你实现的string类里面声明过。)

ii,析构函数

         析构函数的作用是:清理资源。

由于比较简单,这里直接给出实现:

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

(函数名之前需要加上域作用限定符,表示这个函数在你实现的string类里面声明过。)

iii,拷贝构造

       拷贝构造,完成创建对象时的初始化。

一般情况下,我们会这样写:

//拷贝构造
string::string(const string& s)
{
	char* tem = new char[s._capacity+1];//多开一个,存储'\0'
	strcpy(tem, s._str);
    
	delete[] _str;//销毁原空间

	_str = tem;
	_size = s._size;
	_capacity = s._capacity;
}

但是,其实有更简单的写法:

void string::swap(string& s)
{
	//调用模板swap交换内置类型,损失不大
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
	std::swap(_size, s._size);
}
//拷贝构造的现代写法
string::string(const string& s)
	:_str(nullptr)
{
	string tem(s._str);
	swap(tem);
}

仔细分析,我们其实在无形之中让构造函数给我们“打工”了:

string tem(s._str);

就是用拷贝对象的字符串来构造一个tem对象,而这个tem对象就是我们需要的,所以我们实现一个swap函数,将*this与tem完全交换,同时tem在出作用域时也会自动析构,同样也达到了拷贝构造的目的。

iv,赋值重载

赋值重载:实现对象之间的赋值。

我们一般会这样实现:

//赋值重载
string& string::operator=(const char* s)
{
	int len = strlen(s);
	char* tem = new char[len + 1];
	strcpy(tem, s);

	delete[] _str;
	_str = tem;
	_size = _capacity = len;

	return *this;
}

 但是,同样也有更简单的写法:

void string::swap(string& s)
{
	//调用模板swap交换内置类型,损失不大
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
	std::swap(_size, s._size);
}

//赋值重载的现代写法 
string& string::operator=(string tem)
{
	//自动调用拷贝构造
	swap(tem);
	//出作用域自动完成析构
	return *this;
}

在无形之中,我们让拷贝构造为我们“打工”。

我们通过传值传参,拷贝构造一个临时对象tem,这个tem就是我们需要的,所以完全交换*this就得到了构造的对象,同时tem出作用域也会自动析构。

(2)迭代器

         对于迭代器,本质上是一个指针,也可以是一个类(对指针的封装),在这里,我们不妨用指针来作为迭代器:

//声明:
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
const_iterator begin() const;
iterator end();
const_iterator end() const;
    //定义
	string::iterator string::begin()
	{
		return _str;
	}
	string::const_iterator string::begin() const
	{
		return _str;
	}
	string::iterator string::end()
	{
		return _str + _size;
	}
	string::const_iterator string::end() const
	{
		return _str + _size;
	}

        const迭代器用于const对象调用;普通迭代器用于普通迭代器调用。

普通迭代器可读可写,const迭代器只可读不可写。

(3)容量和长度

 i.reserve()

        改变string的容量,若要求值n大于现在的容量,则容量扩大到n;若要求值小于等于现有容量,则改变容量。

        reserve对于size没有影响,不会改变string的内容。

实现如下:

//保留指定容量,容量只增不减
void string::reserve(int n)
{
	//要求保留的大于现有容量,需要扩容
	if (n > _capacity)
	{
		char* tem = new char[n + 1];
		// 申请新空间完毕,转移数据
		strcpy(tem, _str);
		delete[] _str;

		_str = tem;
		_capacity = n;
		//reserve不改变size
	}
}

ii,resize()

    //resize()不改变capacity,可能改变size
	void string::resize(int size,int ch)
    //size为设定值,_size为现有值
	{
		if (size < _size)
		{
			_size = size;
			_str[size] = '\0';
		}
		else if (size > _size)
		{
			if (size > _capacity)
			{
				reserve(size);
			}
			int i = _size;
			while (i != size)
			{
				_str[i++] = '\0';
			}
			_size = size;
			_str[_size] = '\0';
		}
	}

        如果设定值小于现有值,减小_size,相当于截断_str;

        如果设定值等于现有值,不做处理;

        如果设定值大于现有值,有三种情况:

                size <_capacity:        不扩容,并在[ _size,size)之间补0;

                size == _capacity:        不扩容,并在[ _size,size)之间补0;

                size > _capzcity:        扩容,并在[ _size,size)之间补0;

(4)元素访问

 i,operator[]

        下标的随机访问:

//声明
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;
//定义
char& string::operator[](size_t pos)
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	return _str[pos];
}
const char& string::operator[](size_t pos) const
{
	assert(pos >= 0 && pos < _size);
	return _str[pos];
}

对于at,front,back可以复用operator[]来实现。

(5)修改方式

i,push_back()

        实现尾插字符,实现如下:

//尾插字符,由于是一个一个插入,扩容不能太频繁,所以采用二倍扩容
string& string::push_back(const char ch)
{
	if (_size == _capacity)
		//不一定需要扩容,若长度等于容量,再次插入需要扩容
	{
		int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
		reserve(Newcapacity);
	}
	//扩容完毕,尾插字符
	_str[_size++] = ch;
	_str[_size] = '\0';

	return *this;
}

        这里使用了一个扩容技巧,就是二倍扩容。

ii,append()

        追加,这里简化为追加一段字符串。

//尾插字符串,直接reserve到指定长度字符串
string& string::append(const char* str)
{
	int len = strlen(str);
	if (len + _size > _capacity)
	{
		reserve(len + _size);//不改变size
	}
	//扩容完毕
	strcpy(_str + _size, str);
	_size += len;

	return *this;
}

        首先要先保存原来的len,这样如果需要扩容,在扩容完毕之后,只需更新_size为原_size+=len即可。

        否则,如果不保存len,在需要扩容的情况下,就会出现问题了:

##

()

##

iii,operator+=复用上两函数即可

        尾插一个字符

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

        尾插一个字符串

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

iv,insert()

        在任意位置插入一个字符

//插入一个字符
//用push_back逻辑来扩容
string& string::insert(size_t pos, const char ch)
{
    assert(pos >= 0 && pos <= _size);

	if (_size == _capacity)
	{
		int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
		reserve(Newcapacity);//不改变size
	}

	int end = _size+1;
    //细节问题,int与size_t参与比较,
	//int隐式类型转化为size_t
    //size_t(-1)会变成很大的整数

	while(end>pos)
	{
		_str[end] = _str[end-1];
		--end;
	}
	_str[pos] = ch;
	_size += 1;

	return *this;
}

         在任意位置插入一个字符串
//插入一个字符串
//用reserve逻辑扩容
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
    assert(pos >= 0 && pos <= _size);

	int len = strlen(str);
	if (len + _size > _capacity)
	{
		reserve(len+_size);
	}
	int end = _size + len;
	while (end>pos+len-1)
	{
		_str[end] = _str[end - len];
		--end;
	}
	memmove(_str + pos, str, len);

	_size += len;

	return *this;
}

v,erase()

        在任意位置处删除长度为len的字符串:

string& string::erase(size_t pos, size_t len)
	//两种情况;删除部分string,pos之后全删
{
    assert(pos >= 0 && pos <= _size);

	if ((len == npos) ||(pos + len >= _size))//全删的情况
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	//删除部分string
	{
		int end = pos + len;
		while (_str[end]!='\0')
		{
			_str[end - len] = _str[end];
			++end;
		}
		_str[end-len] = '\0';
	}
	return *this;
}

(6)串操作

i,find()

        找字符

size_t string::find(const char ch, size_t pos)
{
	for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
	{
		if (_str[i] == ch)
		{
			return i;
		}
	}
	return npos;
}

        找字符串

        用到了strstr():字符串匹配函数。

size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
	char* ret = strstr(_str, str);
	return (size_t)(ret - _str);
}

ii,c_str()

        返回C类型的字符串:

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

iii,substr()

        得到字符串的子串:


	string string::substr(size_t pos, size_t len)
	{
    	assert(pos >= 0 && pos <= _size);

		if ((len == npos) || (pos + len >= _size))
		{
			string sub(_str + pos);
			return sub;
		}
		else
		{ 
			string sub;
			sub.reserve(len);
			for (size_t i = 0; i < len; ++i)
			{
				sub._str[i] = _str[pos + i];
			}
			sub._str[len] = '\0';
			sub._size =sub._capacity =  len;
			
			return sub;
		}
	}

(7)成员常量

//特例,const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误
const static size_t npos = -1;

        无符号整数size_t(-1)是一个很大的整数。

(8)流插入和流提取

i,operator<<()

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	for (size_t i = 0; i < s._size; ++i)
	{
		cout << s._str[i];
	}
	cout << endl;
	return out;
}

ii,operator>>()

        cin的get()函数可以提取空白字符和‘\n’,这也是循环逻辑结束的条件。

//流提取改进,用buf临时数组,防止string频繁扩容
istream& operator>>(istream& in,string& s)
{
	s.clear();
	char buff[128] = { 0 };
	char ch = in.get();
	int i = 0;
	while(ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[i++] = ch;
		ch = in.get();

		if (i == 127)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
			i = 0;
		}
	}

	buff[i] = '\0';
	if (i != 0)
	{
		s += buff;
	}
	return in;
}

        整体使用了用临时栈区数组的方式来减少扩容次数,提高效率。


完~

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