【C++】理解string类的核心理念(实现一个自己的string类)

发布时间:2023年12月20日

目录

一、引言

二、自我实现

1.成员变量的读写

2.构造与析构

3.迭代器

4.插入字符或字符串

尾插

中间插入

5.删除字符或子字符串

6.查找字符或子串

7.获取子串

三、补充


一、引言

????????实现自己的 string 类是学习 C++ 语言和面向对象编程的一个好方法。通过编写一个简单的字符串类,可以深入理解类的概念、内存管理、构造函数、析构函数等核心理念。理解了string类的底层逻辑之后会发现,一些在上层看似复杂的操作在底层其实很简单。下面就让我们来实现一个自己的string类吧!

二、自我实现

1.成员变量的读写

? ? ? ? string是一个字符串类,所以我们在定义成员变量的时候需要一个char类型的指针,指向存放字符串的空间,为了方便实现对字符串的操作以及内存的管理,还需要定义两个整形变量,一个表示字符串长度,一个表示当前空间大小。

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

这里定义成私有成员变量所以还需要使变量可读:

        const char* c_str() const //const关键字进行函数重载,表示const对象也可以调用,不加则不行
		{
			return _str;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

这里的 const是一个关键字,作用是对函数进行重载,使其具有普通成员函数以及常量成员函数的双重身份,如果没有常量成员函数,那么常量对象就无法调用不带 const 修饰的成员函数,这可能导致在使用常量对象时的一些限制和不便。

我们需要重载[],完成对指定位置的字符的读或写操作:

		char& operator[](size_t pos) //引用返回:返回值出了作用域任然存在,可读可写
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

		const char& operator[](size_t pos) const //const对象调用这个,只读
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

这里提供两个版本,一个是普通成员函数,一个是常量成员函数,之所以要分开写是因为他们的返回值类型不同,一个是可读可写,一个是只读不可写。

2.构造与析构

  • 默认构造函数
		string(const char* str = "") //全缺省,常量字符串末尾默认'\0'
			:_size(strlen(str))
			,_capacity(_size)
			,_str(new char[_capacity + 1])
		{
			strcpy(_str, str);
		}

其作用是创建一个 string 类对象,该对象的内部包含一个动态分配的字符数组 _str,存储了传入的 C 字符串的内容,并且记录了字符串的长度 _size 和容量 _capacity。我们调用无参构造函数时 _str内部默认存在有字符 '\0'。'\0 '标记了字符串的末尾。

  • 拷贝构造函数
		string(const string& s)
		{
			_str = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
			_size = s._size;
			_capacity = s._capacity;
		}

这是一个字符串类的拷贝构造函数的实现。拷贝构造函数用于创建一个新的对象,并以另一个同类型对象的内容为模板进行初始化。具体来说,对于字符串类而言,这段代码的作用是创建一个新的字符串对象,并将其内容初始化为另一个字符串对象 s 的内容的副本。

这里的构造函数都是以深拷贝的方式实现,新对象拥有一个新的内存块,该内存块包含源对象或源字符串的副本。

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

析构函数无需多言,需要注意的是 delete后面一定要加 [],表示释放的是一个字符串的空间。

3.迭代器

string类提供了迭代器(iterator)来遍历字符串的元素,迭代器是一种抽象的、通用的数据访问方式,它可以被用于遍历不同类型的数据结构。在string中,迭代器通常是一个指向字符的指针或类似指针的对象,这里我们模拟实现的是指针类型的迭代器:

//迭代器
		typedef char* iterator;
		typedef const char* const_iterator;

同样也有普通指针和常量指针两个版本

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		} 

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}

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

begin() 和 end()分别返回指向字符串首元素以及尾元素的后一位,由于返回值的不同,普通成员函数与常量成员函数要分开写。

其实实现了迭代器也就实现了基于范围的for循环,不信可以看看以下代码:

#include<iostream>
using namespace std;

#include"string.h"

void text_iterator()
{
	bit::string a("Hello world!");
	bit::string::iterator it = a.begin();
	while (it != a.end())
	{
		cout << *it;
		it++;
	}
	cout << endl;

	for (auto ch : a)
	{
		cout << ch;
	}
	cout << endl;
}

int main()
{
	text_iterator();
	return 0;
}

此时输出结果是:

看到了吗,两个循环的结果是一样的,我们没有做任何操作,就实现了基于范围的for循环诶,其实,实现了迭代器之后,第二个循环体与前一个循环体对编译器来看是一样的,这是给编译器设计好的,不需要我们进行多余的操作。

4.插入字符或字符串

在进行插入操作时,我们要先判断字符串的空间大小,如果插入的字符/字符串的长度大于所剩余的空间,就需要进行扩容,在string中,reserve成员函数实现上述功能:

//扩容
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;//可以直接指针复制,令两者指向同一块空间
				_capacity = n;
			}
		}

如果需要扩容,我们的做法是开辟一块新的空间,存放原字符串的副本,并且对原字符串进行空间释放,再进行指针复制,令_str指向新开辟的那块空间。

尾插

接下来就可以进行尾部插入字符或字符串的操作了:

		//插入字符
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				//2倍扩容
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
			}
			_str[_size] = ch;
			++_size;
			_str[_size] = '\0';
		}

插入字符时,首先判断空间大小,空间不足则进行2倍扩容,要注意的是原字符串为空的情况,此时就不是2倍扩容了,而是给定一个初始大小的空间。插入一个字符不仅要对插入位置进行赋值,还要将它的下一位置赋值为'\0'。


		//插入字符串
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len > _capacity)
			{
				//至少扩容到_size+len
				reserve(_size + len);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

插入字符串的操作和插入字符类似。进行扩容操作之后用strcpy函数将要插入的字符串赋值到原字符串的末尾处。

我们在使用string类的时候经常会用到其重载后的+=操作,其作用是直接在str后面插入字符或字符串,很方便,其实实现起来也很简单,就是用到上述的插入函数:

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

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

中间插入

string类中,insert函数用于在字符串的指定位置插入字符或字符串。

		void insert(size_t pos, size_t n, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size + n < _capacity)
			{
				//至少扩容到_size+n
				reserve(_size + n);
			}
			//挪动数据
			size_t end = _size;
			while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢?end!=-1
			{
				_str[end + n] = _str[end];
				--end;
			}
			for (size_t i = 0; i < n; i++)
			{
				_str[pos + i] = ch;
			}
			_size += n;
		}

		void insert(size_t pos, const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t len = strlen(str);
			if (_size + len < _capacity)
			{
				//至少扩容到_size+n
				reserve(_size + len);
			}
			//挪动数据
			size_t end = _size;
			while (end >= pos && end != -1) //若pos为0呢?end!=-1
			{
				_str[end + len] = _str[end];
				--end;
			}
			for (size_t i = 0; i < len; i++)
			{
				_str[pos + i] = str[i];
			}
			_size += len;
		}

同样要先判断空间大小,进行扩容操作。然后要进行数据的挪动,挪动的范围是pos到end位置,挪动的距离是n。这里要注意一个特殊情况,就是当pos为0时,也就是要将字符串整体向后移动时,标记当前挪动字符位置的变量end在对首字符挪动完之后,其值会自减为-1,但是end是一个无符号整形,因此此时的-1会被解释为该无符号整数的最大可能值,所以还有加上一个判断条件:end != -1。

5.删除字符或子字符串

string 类中,erase 函数用于从字符串中删除字符或子字符串。

		void erase(size_t pos, size_t len = -1)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == -1 || pos + len > _size)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos;
			}
			else
			{
				size_t end = pos + len;
				while (end <= _size)
				{
					_str[pos++] = _str[end++];
				}
				_size -= len;
			}
		}

pos表示删除的起始位置,len表示删除的字符串的长度,len设置成缺省参数,默认为最大值,即pos位置后面的字符全删,当pos+len大于字符串长度时也是全删。全删很简单,只要将pos位置赋值为'\0'就可以了。此外就是删除内部的子串了,定义一个变量end用于标记要删除的子串的末尾,将end后面的字符依次覆盖到pos后面的字符处,即可完成删除操作。

6.查找字符或子串

string 类中的 find 函数用于在字符串中搜索子字符串或字符,并返回第一次出现的位置:

        //找一个字符
		size_t find(char ch, size_t pos = 0)
		{
			for (size_t i = pos; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == ch)
				{
					return i;
				}
			}
			return -1;
		}

		//找一个字符串
		size_t find(const char* str, size_t pos = 0)
		{
			const char* ptr = strstr(_str,str);
			if (ptr)
			{
				return ptr - _str;
			}
			else
			{
				return -1;
			}
		}

查找操作很容易实现,只需要对字符串进行遍历,需要说明的是查找字符串操作时用到的 strstr 函数:C 标准库函数 strstr 在字符串 _str 中查找第一次出现的子字符串 strstrstr 返回一个指向匹配子字符串的指针,如果未找到匹配项,则返回 nullptr。

7.获取子串

string 类中,substr 函数用于提取字符串的子串:

		//取子串
		string substr(size_t pos = 0, size_t len = -1)
		{
			assert(pos <= _size);
			size_t n = len;
			if (n == -1 || pos + n > _size)
			{
				n = _size - pos;
			}
			string tmp;
			tmp.reserve(n);
			for (size_t i = pos; i < pos + n; i++)
			{
				tmp += _str[i];
			}
			return tmp;
		}

pos表示子串的首元素位置,len表示子串长度,len同样设置成缺省参数,缺省值为最大值,即取的是pos后面的全部字符组成的子串。由于返回值类型是string类,所以我们需要声明一个tmp对象,用于存放子串的副本,用重载后的+=操作符即可实现子串的复制。

三、补充

????????前面说到过:在C++中,对于无符号整数类型,-1 不是一个负数,而是一个非常大的正整数。这是由于无符号整数类型不能表示负数,因此用有符号整数的-1表示无符号整数时,会被解释为该无符号整数的最大可能值。因此我在处理一些返回值情况时,例如查找操作时,没找到指定字符则返回-1这可能导致问题,因为 size_t 是一个无符号整数类型,而 -1 是有符号整数。在 C++ 中,无符号整数和有符号整数之间的比较可能导致一些不直观的行为。

????????所以最好用std::string::npos来表示-1(最大可能值)的情况。npos需设置成静态成员变量:

namespace Mystd
{
    class string
	{
	public:
    //...

    private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
		static size_t npos;
	};
	size_t Mystd::string::npos = -1;
}

写文不易,望多多支持~~

文章来源:https://blog.csdn.net/dhgiuyawhiudwqha/article/details/135106165
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