C++中String的語法及常用接口的底層實(shí)現(xiàn)詳解
一、string類
在學(xué)習(xí) string 前，我們不妨先來了解一下 string 類到底是什么，有什么用呢？下圖是C++標(biāo)準(zhǔn)庫中的對(duì) string 內(nèi)容：
what？？？沒錯(cuò)，C++標(biāo)準(zhǔn)庫都是英語解釋。我們也應(yīng)該試著去適應(yīng)，不懂的可以查閱。當(dāng)然，在這里我就直接給出翻譯，主要是以下內(nèi)容：
字符串是表示字符序列的類；
- 標(biāo)準(zhǔn)的字符串類提供了對(duì)此類對(duì)象的支持，其接口類似于標(biāo)準(zhǔn)字符容器的接口，但添加了專門用于操作單字節(jié)字符字符串的設(shè)計(jì)特性。
- string類是使用char(即作為它的字符類型，使用它的默認(rèn)char_traits和分配器類型(關(guān)于模板的更多信息，請(qǐng)參閱basic_string)。
- string類是basic_string模板類的一個(gè)實(shí)例，它使用char來實(shí)例化basic_string模板類，并用char_traits和allocator作為basic_string的默認(rèn)參數(shù)(根于更多的模板信息請(qǐng)參考basic_string)。
- 注意，這個(gè)類獨(dú)立于所使用的編碼來處理字節(jié):如果用來處理多字節(jié)或變長字符(如UTF-8)的序列，這個(gè)類的所有成員(如長度或大小)以及它的迭代器，將仍然按照字節(jié)(而不是實(shí)際編碼的字符)來操作。
了解到上面的內(nèi)容后，我們要開始真正的學(xué)習(xí) string 的用法了。
二、string的常用見用法
2、1 string對(duì)象的構(gòu)造
2、1、1 string對(duì)象的構(gòu)造的使用方法
最為常用的無非就是我們用串string來構(gòu)造一個(gè)對(duì)象，也就是存儲(chǔ)一個(gè)字符，常用的方法有如下幾點(diǎn)：
- string()——構(gòu)造空的 string 類對(duì)象，即空字符串；
- string(const char* s)——用 char* 來構(gòu)造 string 類對(duì)象；
- string(size_t n, char c)——string類對(duì)象中包含n個(gè)字符c；
- string(const string&s)——拷貝構(gòu)造函數(shù)。
下面是使用方法所對(duì)應(yīng)的實(shí)例，幫助更好的理解其用法。
根據(jù)上面的實(shí)例和對(duì)應(yīng)的輸出結(jié)果，我們可以更好的理解。
2、1、2 string()的底層實(shí)現(xiàn)
構(gòu)造空串，其有效字符長度為0，但是實(shí)際上是開辟了一個(gè)字節(jié)的空間存儲(chǔ) ‘\0’ 的。具體如下：
string()
:_str(new char[1])
, _size(0)
,_capacity(0)
{
}2、1、3 string(const char* s)的底層實(shí)現(xiàn)
我們這里就給出以上兩個(gè)底層的構(gòu)造實(shí)現(xiàn)，其余兩個(gè)類似，就不再給出。具體實(shí)現(xiàn)如下：
string(const char* str = "") //默認(rèn)空串。注意：空串是以 \0 結(jié)尾
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_size + 1];
strcpy(_str, str);
}2、2 string對(duì)象的修改操作
當(dāng)我們構(gòu)建好對(duì)象后，我們接下來就要往對(duì)應(yīng)的字符串對(duì)象進(jìn)行修改操作了。常用的修改操作無非就是插入和查找，具體有如下幾種常見用法：
- push_back——在字符串后尾插字符c；
- insert——在pos位置插入n個(gè)字符或者插入一個(gè)字符串；
- append ——在字符串后追加一個(gè)字符串 ；
- operator+=——在字符串后追加字符或者字符串str； c_str——返回C格式字符串；
- find——從字符串pos位置開始往后找字符c，返回該字符在字符串中的位置。
我們?cè)倏雌渚唧w的使用方法實(shí)例，如下圖：
上圖為常用的修改用法。當(dāng)然，其他的用法還有很多。如果想了解的過可去C++官網(wǎng)（cppreference）或者 cplusplus 的標(biāo)準(zhǔn)庫中查詢。具體也可看下圖：
insert
operator+=
find
2、3 string對(duì)象的容量操作
在平常對(duì)字符串的操作中，我們也經(jīng)常需要去了解到字符串的實(shí)際長度為多少，或者改數(shù)組到底能夠存下多長的字符串，又或是修改字符串的長度和空間大小。C++的string類中，這些操作都提供了相應(yīng)的接口，具體如下：
- size——返回字符串有效字符長度；
- length——返回字符串有效字符長度 ；
- empty——檢測(cè)字符串釋放為空串，是返回true，否則返回false；
- reserve——為字符串預(yù)留空間；
- resize——將有效字符的個(gè)數(shù)該成n個(gè)，多出的空間用字符c填充；
- capacity——返回空間總大?。?/strong>
- clear——清空有效字符；
我們發(fā)現(xiàn)。size和length的功能一樣的。確實(shí)都是求字符串的有效長度。那我們接著看其具體的實(shí)例：
注意：capacity返回的是空間的總大小，size和length返回的是字符串的實(shí)際有效長度。 兩者是有所區(qū)別的。一個(gè)字符串的capacity是有底層的具體實(shí)現(xiàn)決定的，不同的編譯器可能實(shí)現(xiàn)的是不同的。
2、4 string對(duì)象的訪問和遍歷操作
string對(duì)象的訪問，支持像數(shù)組一樣使用 [] 進(jìn)行訪問，也可通過迭代器進(jìn)行訪問，具體有如下用法：
- operator[]——返回pos位置的字符，const string類對(duì)象調(diào)用；
- begin+ end——begin獲取一個(gè)字符的迭代器 + end獲取最后一個(gè)字符下一個(gè)位置的迭 代器；
- 范圍for——C++11支持更簡潔的范圍for的新遍歷方式。
其具體的用法實(shí)例如下：
范圍for的底層實(shí)現(xiàn)就是用迭代器來實(shí)現(xiàn)的。寫起來更加的便捷和方便。
以上為string中較為常用的接口。以上完全足夠我們平常的使用了，如果想要了解的更多，可參考C++的標(biāo)準(zhǔn)庫。不過string容器一共實(shí)現(xiàn)了106個(gè)接口?。。∑渲写蟛糠侄际侨哂嗟?。這也是很多人吐槽string類實(shí)現(xiàn)的過于復(fù)雜和冗余的一個(gè)重要原因。所以在查看時(shí)，我們只需要看自己想要了解的接口即可。
三、string常用結(jié)構(gòu)的底層實(shí)現(xiàn)
3、1 初建結(jié)構(gòu)
我們通過上述的構(gòu)造，不難發(fā)現(xiàn)也不難理解string的底層其實(shí)就是一個(gè)字符指針，該指針指向一個(gè)數(shù)組。當(dāng)然，我們還需要兩個(gè)變量來維護(hù)其有效長度(_size)和數(shù)組容量(_capacity).
其次，我們自己實(shí)現(xiàn)的string類為了區(qū)分std命名空間，我們可自己設(shè)置一個(gè)命名空間。處型的模擬實(shí)現(xiàn)如下：
namespace gtm
{
class string
{
public:
//string()
// :_str(new char[1])
// , _size(0)
// ,_capacity(0)
//{
//}
//string(const char* str)
// :_str(new char[strlen(str) + 1]) //三次strlen函數(shù)，效率低。
// ,_size(strlen(str))
// ,_capacity(strlen(str))
//{
// strcpy(_str, str);
//}
// 不再使用strlen函數(shù)，初始化列表與變量聲明順序固定
string(const char* str = "") //默認(rèn)空串。注意：空串是以 \0 結(jié)尾
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size;
_str = new char[_size + 1];
strcpy(_str, str);
}
~string()
{
delete[] _str;
_str = nullptr;
_size = _capacity = 0;
}
private:
char* _str;
size_t _size;
size_t _capacity;
};注意，我們上述省略了無參的構(gòu)造。原因是我們?cè)谧址臉?gòu)造中有缺省參數(shù)，即為空串。
3、2 返回大小和容量
這兩個(gè)部分，是比較容易實(shí)現(xiàn)的兩部分。同時(shí)也是較為常用的兩部分。具體如下：
size_t size() const
{
return _size;
}
size_t capacity() const
{
return _capacity;
}3、3 拷貝構(gòu)造和賦值重載
這兩部分較為復(fù)雜的兩部分。其中均需要深拷貝去實(shí)現(xiàn)完成，而淺拷貝是不可以的。注意：拷貝構(gòu)造使用一個(gè)已定義變量去初始化另一個(gè)變量，賦值重載是兩個(gè)已定義變量進(jìn)行賦值。
具體實(shí)現(xiàn)如下：
//深拷貝
//string(const string& s)
// :_str(new char[s._capacity+1])
// ,_size(s._size)
// ,_capacity(s._capacity)
//{
// strcpy(_str, s._str);
//}
void swap(string& tmp)
{
//調(diào)用全局的swap
::swap(_str, tmp._str);
::swap(_size, tmp._size);
::swap(_capacity, tmp._capacity);
}
//借助變量tmp
string(const string& s)
:_str(nullptr)
, _size(0)
, _capacity(0)
{
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}
//賦值
//string& operator=(const string& s)
//{
// if(this == &s)
// {
// return *this;
// }
// //先開空間拷貝數(shù)據(jù)，以防new失敗銷毀原來的空間
// char* tmp = new char[s._capacity + 1];
// strcpy(tmp, s._str);
// delete[] _str;
// _str = tmp;
// _size = s._size;
// _capacity = s._capacity;
// return *this;
// //delete[] _str;
// //_str = new char[s._capacity + 1];
// //strcpy(_str, s._str);
// //_size = s._size;
// //_capacity = s._capacity;
// return *this;
//}
//string& operator=(const string& s)
//{
// if(this == &s)
// {
// return *this;
// }
// string tmp(s._str);
// swap(tmp);
// return *this;
//}
string& operator=(string s)
{
if (this == &s)
{
return *this;
}
swap(s);
return *this;
}上述的輔助重載我們巧妙地借助了臨時(shí)變量s。當(dāng)賦值完成后，出了作用域s會(huì)自動(dòng)調(diào)用戲后進(jìn)行銷毀，這里是需要反復(fù)理解的。
3、4 擴(kuò)容（reserve）
我們可簡單的理解reserve為擴(kuò)容（擴(kuò)容的前提為要求的容量比原來的大），但是我們要記得把字符數(shù)組中原有的內(nèi)容拷貝過來，并且釋放之前所動(dòng)態(tài)開辟的空間。 具體實(shí)現(xiàn)如下：
void reserve(size_t capacity)
{
if (capacity > _capacity)
{
char* tmp = new char[capacity + 1];
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = capacity;
}
}3、5 插入（push_back、append、operator+=、insert）
插入的實(shí)現(xiàn)，主要的點(diǎn)就是是否要進(jìn)行擴(kuò)容。其次，當(dāng)我們實(shí)現(xiàn)push_back和append后，其他的均可復(fù)用這兩個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。具體實(shí)現(xiàn)如下：
void push_back(char ch)
{
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
_size++;
_str[_size] = '\0';
}
void append(const char* str)
{
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
}
strcpy(_str + _size, str);
_size += len;
}
void append(const string& s)
{
append(s._str);
}
void append(int n, char ch)
{
reserve(_size + n);
for (int i = 0; i < n; i++)
{
push_back(ch);
}
}
string& operator+= (char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
string& operator+= (const char* str)
{
append(str);
return *this;
}
string& insert(size_t pos, char ch)
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
//注意，當(dāng)運(yùn)算數(shù)一個(gè)是有符號(hào)，另一個(gè)是無符號(hào)時(shí)，有符號(hào)的運(yùn)算數(shù)會(huì)強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換為無符號(hào)數(shù)。pos等于0的位置插入，end--后為超大數(shù)據(jù)，會(huì)出錯(cuò)。
//int end = _size;
//while (end >= (int)pos)
//{
// _str[end + 1] = _str[end];
// end--;
//}
size_t end = _size+1;
while (end > pos)
{
_str[end] = _str[end - 1];
end--;
}
_str[pos] = ch;
_size++;
return *this;
}
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos <= _size);
size_t len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size >= _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + len;
while (end >= pos+len)
{
_str[end] = _str[end - len];
end--;
}
for (int i = pos,j=0; j < len;j++, i++)
{
_str[i] = str[j];
}
_size += len;
return *this;
}3、6 刪除（erase）
我們這里實(shí)現(xiàn)的從某個(gè)位置開始刪除，刪除長度為 len 的字符。len有一個(gè)缺省參數(shù)，為npos（npos是一個(gè)很大的數(shù)，也就是不傳參給 len 的話，默認(rèn)刪除到最后）。如果 len 本就很大，刪除的長度超過從pos開始所剩余的長度，那么默認(rèn)也是pos后的刪除完。那么我們看其具體的實(shí)現(xiàn)。
void erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
assert(pos < _size);
if (len == npos || _size - pos <= len)
{
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
}
else
{
strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
_size -= len;
}
}3、7 查找（find）
查找的話，主要常用的就兩個(gè)：從pos位置開始查找，查找的內(nèi)容可能是一個(gè)字符，也可能是一個(gè)子串。如果找到，則返回其下標(biāo)。沒找到就返回npos。具體實(shí)現(xiàn)如下：
size_t find(char ch, size_t pos = 0)const
{
for (size_t i = pos; i < _size; i++)
{
if (_str[i] == ch)
return i;
}
return npos;
}
size_t find(const char* sub, size_t pos = 0)const
{
const char* ret=strstr(_str + pos, sub);
if (ret == nullptr)
{
return npos;
}
else
{
return ret - _str;
}
}3、8 返回子串（substr）
返子串也是我們經(jīng)常需要的一個(gè)接口。返回子串就一個(gè)接口，從某個(gè)位置開始查找，查找長度為 len 的字符。len有一個(gè)缺省參數(shù)，為npos（npos是一個(gè)很大的數(shù)，也就是不傳參給 len 的話，默認(rèn)返回到最后）。如果 len 本就很大，返回子串的長度超過從pos開始所剩余的長度，那么默認(rèn)也是pos后的子串全部返回。我們看其具體實(shí)現(xiàn)：
string substr(size_t pos, size_t len = npos)const
{
assert(pos < _size);
size_t realLen = len;
if (len == npos || pos + len > _size)
{
realLen = _size - pos;
}
string s;
for (size_t i = 0; i < realLen; i++)
{
s += _str[pos + i];
}
return s;
}3、9 迭代器（iterator）
在string中的迭代器底層就是指針，但是并不是所有的迭代器底層實(shí)現(xiàn)都是指針！我們直接看起底層實(shí)現(xiàn)：
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin()
{
return _str;
}
iterator end()
{
return _str + _size;
}
const_iterator begin() const
{
return _str;
}
const_iterator end() const
{
return _str + _size;
}這里的begin（）就是返回的字符串的首元素地址，end（）返回的是字符串最后一個(gè)元素的后一個(gè)地址！
3、10 比較（>、<、>=、<=、==、！=）
字符串的比較并非比較其長度，而是與其相同位置字符的大小有關(guān)，也就是我們所說的字典序。我們這里只需要實(shí)現(xiàn)其中的兩個(gè)，其他均可復(fù)用。具體如下：
bool operator> (const string& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) > 0;
}
bool operator== (const string& s) const
{
return strcmp(_str, s._str) == 0;
}
bool operator>= (const string& s) const
{
return *this > s || *this == s;
}
bool operator< (const string& s) const
{
return !(*this >= s);
}
bool operator<= (const string& s) const
{
return !(*this > s);
}
bool operator!= (const string& s) const
{
return !(*this == s);
}四、總結(jié)
string 在C++中算是比較重要的了，也是入門時(shí)必須所學(xué)的容器。在平常中使用的頻率較高，所以我們不僅要掌握其簡單的用法，更應(yīng)該去了解其底層的實(shí)現(xiàn)。這有助于我們后續(xù)的使用和理解。本篇文章列舉出了string中常用的語法和接口底層的底層實(shí)現(xiàn)，這些都是我們應(yīng)該熟練掌握的內(nèi)容。
本篇文章講解就到這里，感謝觀看ovo~
以上就是C++中String的語法及常用接口的底層實(shí)現(xiàn)詳解的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++ String的語法及接口底層實(shí)現(xiàn)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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