【C++】string底层的实现原理（简单详细）

前言

本篇文章我将按照C++文档库中的模块顺序来实现和讲解其实现原理，我们只讲各板块中常用的

目录

一，Member functions（成员函数）

二、Iterators（迭代器）

三、Capacity（容器）

  1. 常见容器的实现
  2. 重点容器代码思想剖析

    四、Element access（成员访问）

    五、Modifiers（修改器）

    1. 常见修改器的实现
    2. 重点修改器代码思想剖析

      六、String operations（字符串操作）
      七、Non-member function overloads（非成员函数重载）
      八、整合版

      一、Member functions（成员函数）
      namespace L
{class string{public://构造函数string(const char* str=""):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//拷贝构造string(const string& str){_str = new char[str._capacity + 1];strcpy(_str, str._str);_capacity = str._capacity;_size = str._size;}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}private:char* _str;//指向字符串的指针size_t _size;//字符串的有效字符个数size_t _capacity;//字符串的容量大小};
}
      二、Iterators（迭代器）
      namespace L
{class string{public: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;}private:char* _str;//指向字符串的指针size_t _size;//字符串的有效字符个数size_t _capacity;//字符串的容量大小};
}

      string的迭代器我这里是用指针来实现的，迭代器主要就是通过begin()，end()来遍历字符串，由于我们实现了begin()和end()两个成员函数，所以我们在遍历的时候可以使用范围for来遍历字符串，范围for的底层就是替换成了迭代器

      三、Capacity（容器）

      1.常见容器的实现

      namespace L
{class string{public:size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}bool empty() const{return _size == 0;}void clear(){_size = 0;_str[_size] = '\0';}void resize(size_t n, char ch='\0'){if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);for (size_t i = _size; i < n; i++){_str[i] = ch;}_size = n;}}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* temp = new char[n+1];strcpy(temp, _str);delete[] _str;_str = temp;_capacity = n;}}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

      2.重点代码思想剖析

      这个板块我们重点讲解两个成员函数，resize()和reserve()
      1、resize(size_t n, char ch='\0')；
      ①功能描述：当n<=size (字符串的长度）时，只保留字符串的前n个字符；当n>size时 会引发扩容，并且从size位置开始一直到n位置的值都为ch;
      ②实现思想：当n<=size时，直接给n位置赋值成 ‘\0’（因为字符串的结束标识是\0），然后将有效字符个数改为n即可；当n>size时，从字符串的末尾开始添加字符直到size=n为止

      2、void reserve(size_t n)；
      ①功能描述：reserve 主要是扩容，避免capacity多次扩容，影响效率；n<size时：不会缩容，也不会扩容；n>capacity时：会扩容
      ②实现思想：当n>capacity时，使用new动态开辟出一块大小为n+1的空间，多开1个空间是用来存放\0的，使用strcpy将原来的数据拷贝到新开的空间中，然后释放掉旧空间

      四、Element access（成员访问）
      namespace L
{class string{public:char& operator[](size_t n) const{return _str[n];}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}
      五、Modifiers（修改器）
      1、 常见修改器的实现 
      namespace L
{class string{public:void swap(string& s) {std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos + 1;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}void push_back(char ch){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}void insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}size_t end = _size + 1;while (pos < end){_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;}void insert(size_t pos,const char* str){assert(pos <= _size);int len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);}int end = _size + len;while ((int)pos <= end - len){_str[end] = _str[end - len];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}string& operator+=(const char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

      2、重点修改器的代码剖析
      void insert(size_t pos,const char* str);
      ①功能描述：往字符串中的任意位置插入一个字符串
      ②实现思想：先判断插入进来的字符串的长度+现有的有效字符个数会不会超过该字符串的容量，超过了就扩容，然后从pos位置开始，将其后的字符全部挪动len个字符，然后再使用strncpy拷贝这个字符串到其要插入的位置

      tips:容易犯错的点

      	void insert(size_t pos,const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);}size_t end = _size + len;while (pos <= end - len){_str[end] = _str[end - len];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}

      上面代码出现的问题，如下图解释

      在这里插入图片描述

      六、String operations（字符串操作）
      namespace L
{class string{public:string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);string temp;if (len == npos || len >= _size - pos){strcpy(temp._str, _str + pos);return temp;}else{for (size_t i = pos; i < len; i++){temp += _str[i];}_str[len] = '\0';return temp;}}size_t find(char c, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);for (size_t i = 0; i < _size; i++){if (_str[i] == c){return i;}}return npos;}size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);char* p=strstr(_str, s);if (p){return p - _str;//指针相减得到他们之间的字符个数}else{return npos;}}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}
      七、Non-member function overloads（非成员函数重载）
      namespace L
{class string{public:private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};ostream& operator<<(ostream& out, const string& str){for (size_t i = 0; i <str.size(); i++){out << str[i];}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& str){char ch;ch = in.get();//get函数用于从输入流上读取一个字符while (ch != ' ' && ch != '\n'){str += ch;ch = in.get();}return in;}void swap(string& s1, string& s2){s1.swap(s2);}
}

      八、整合版

      #pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace L
{class string{public: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;}string(const char* str=""):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}//s1(s2)string(const string& str){_str = new char[str._capacity + 1];strcpy(_str, str._str);_capacity = str._capacity;_size = str._size;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* temp = new char[n+1];strcpy(temp, _str);delete[] _str;_str = temp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}void insert(size_t pos, char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}size_t end = _size + 1;while (pos < end){_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;}void insert(size_t pos,const char* str){assert(pos <= _size);int len = strlen(str);if (len + _size > _capacity){reserve(len + _size);}int end = _size + len;while ((int)pos <= end - len){_str[end] = _str[end - len];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}string& operator+=(const char ch){push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}size_t size() const{return _size;}size_t capacity() const{return _capacity;}bool empty() const{return _size == 0;}void clear(){_size = 0;_str[_size] = '\0';}void swap(string& s) {std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}char& operator[](size_t n) const{return _str[n];}void resize(size_t n, char ch='\0'){if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{reserve(n);for (size_t i = _size; i < n; i++){_str[i] = ch;}_size = n;}}size_t find(char c, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);for (size_t i = 0; i < _size; i++){if (_str[i] == c){return i;}}return npos;}size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);char* p=strstr(_str, s);if (p){return p - _str;}else{return npos;}}void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos + 1;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}}string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const{assert(pos < _size);string temp;if (len == npos || len >= _size - pos){strcpy(temp._str, _str + pos);return temp;}else{for (size_t i = pos; i < len; i++){temp += _str[i];}_str[len] = '\0';return temp;}}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;public:static const int npos;};const int string::npos = -1;//静态成员在全局初始化ostream& operator<<(ostream& out, const string& str){for (size_t i = 0; i <str.size(); i++){out << str[i];}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& str){char ch;ch = in.get();//get函数用于从输入流上读取一个字符while (ch != ' ' && ch != '\n'){str += ch;ch = in.get();}return in;}void swap(string& s1, string& s2){s1.swap(s2);}
}

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