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文章目录
- 前言
- 一.`string`类的默认成员函数以及深拷贝
- 1.基本框架
- 2.默认成员函数
- 1.构造函数
- 2.析构函数
- 3.拷贝构造函数（深拷贝）
- 4.赋值运算符重载（深拷贝）
- 3.什么是深拷贝
- 深拷贝的必要性
- 深拷贝的实现
- 4.测试
- 二.`string`类的访问和迭代器相关函数
- 1.访问相关函数
- 2.迭代器相关函数
- 1.普通`string`对象的迭代器
- 2.`const` `string`对象的迭代器
- 3.测试
- 三.`string`类的容量相关函数
- 1.容量大小相关函数
- 2.扩容相关函数
- 3.测试
- 四.`string`类的修改相关函数
- 1.拼接操作相关函数
- 2.插入操作相关函数
- 3.删除操作相关函数
- 4.测试
- 五.`string`类的流插入和流提取函数
- 六.`string`类完整代码
- 1.`string.h`头文件代码
- 2.`string.cpp`函数定义文件代码
- 3.`test.cpp`测试文件代码
前言
在上一篇文章中，我们了解到了std::string类的常用接口函数以及如何熟练使用。在这片文章中，我们将深入探讨如何模拟实现一个基本的string类。我们的目的不是创建一个功能完整的string库，而是通过这个过程来学习字符串处理的基本原理和常见的实现技巧。通过模拟实现string类，我们不仅能够深入理解字符串的内部工作原理，还能锻炼我们的编程能力，提高解决问题的能力，希望这篇文章能过为你的编程之旅提供有价值的参考和启发。
注意：模拟实现string类需要用到三个文件
test.cpp文件用来进行测试string.cpp文件用来定义接口函数(部分较为短小的函数将会直接在string.h文件中定义)string.h文件用来声明头文件和string类
一.string类的默认成员函数以及深拷贝
1.基本框架
为了和库里面的std::string类进行区分，我们首先定义一个命名空间Mystring用来封装我们自己模拟实现的string类。
基本框架如下：
namespace Mystring{
class string{
Public:
static const size_t npos=-1;
//成员函数
private:
//成员变量
char* _str;
size_t _size;
size_t capacity;
};
}
-
_str在堆上开辟动态内存用来存储string对象的数据。 -
_size用来记录string对象的实际大小。 -
_capacity用来记录当前string对象可存储的最大容量。 -
npos是一个无符号整形的最大值，在查找等相关函数会用到。
2.默认成员函数
前面我们知道，一个类中有六个默认成员函数（在我之前的文章类和对象（二）中有关于默认成员函数的详细讲解，不清楚的可以看我之前的文章），在模拟实现string类时，我们只需要实现常用的四个（构造函数，析构函数，拷贝构造函数，赋值运算符重载）即可。
1.构造函数
-
代码实现：
//string.h中声明 string(const char* str = ""); //string.cpp中定义 Mystring::string::string(const char* str) :_size(strlen(str)) ,_capacity(_size) ,_str(new char[_size+1]) { memcpy(_str,str,_size+1); } -
实现原理：
- str字符串作为常量参数用来创建string对象，缺省值为空字符串（当没有参数时就是创建一个空对象），缺省值要在声明中给，不能再定义中给。
- _size字符串大小和_capacity容量初始化值为参数str字符串的大小(strlen(str))。
- _str指针用来指向存储string对象的动态内存，开辟空间的大小为参数str字符串的大小加一，加一是为了存放结尾的’\0’，开辟空间后要将str字符串内容拷贝到开辟的动态内存。
2.析构函数
-
代码实现：
//string.h文件中声明 ~string(); //string.cpp文件中定义 Mystring::string::~string() { delete[] _str; _str=nullptr; _size=0; _capacity=0; } -
实现原理：
- 释放动态内存空间，再将_str指针置为空指针。
- _size字符串大小和_capacity容量置为0。
3.拷贝构造函数（深拷贝）
-
代码实现：
//string.h文件中声明 string(const string&s); //string.cpp文件中定义 Mystring::string::string(const string&s) { _str=new char[s._capacity+1]; strcpy(_str,s._str); _size=s._size; _capacity=s._capacity; } -
实现原理：
- 用一个string对象拷贝构造一个新的string对象，拷贝构造函数需要完成深拷贝。
- 先用字符串s的容量作为新空间的大小申请一个新的动态内存空间，再将s字符串的数据拷贝到新的内存空间中。
- 新的string对象的_size和_capacity分别是原string对象的_size和_capacity.
4.赋值运算符重载（深拷贝）
-
代码实现：
//string.h文件中声明 string& operator=(const string&s); //string.cpp文件中定义 Mystring::string& Mystring::string::operator=(const string&s) { char* tmp=new char[s._capacity+1]; memcpy(tmp,s._str,s._size+1); delete[] _str; _str=tmp; _capacity=s._capacity; _size=s._size; return *this; } -
实现原理：
- 赋值和拷贝构造的不同点在于，拷贝构造是用已有的对象拷贝构造一个新的对象；而赋值是用一个已存在的对象赋值给另一个已存在的对象，赋值也是需要完成深拷贝。
- 先用赋值对象s的容量大小申请一个新的动态内存空间，设置一个新的tmp指针先指向这块空间，再将赋值对象s的数据拷贝到新的内存空间中。
- 释放被赋值对象的原有空间，再将被赋值对象的_str指针指向新的内存空间。
- 被赋值对象的_size和_capacity分别是赋值对象s的_size和_capacity.
3.什么是深拷贝
深拷贝（Deep Copy）是对象复制操作中的一种，它不仅仅复制对象的表层数据（如指针或引用），还会递归地复制对象内部所有动态分配的内存、引用的其他对象或其他资源。这样，复制出来的新对象与原始对象在内存中是完全独立的，对它们的修改不会影响到彼此。
深拷贝的必要性
当对象包含指向动态分配内存的指针或其他需要管理的资源时，浅拷贝（仅复制指针值）会导致两个对象共享同一块内存。这可能会引发以下问题：
- 数据损坏：一个对象修改了它共享的内存中的数据，导致另一个对象看到的数据也发生了变化。
- 内存泄漏：如果两个对象都认为自己拥有这块内存，并在析构时尝试释放它，就会导致重复释放内存的错误（double free），进而可能导致程序崩溃。
- 资源管理混乱：如果对象还管理其他资源（如文件句柄、网络连接等），共享这些资源可能会导致资源被意外关闭或重复访问。
深拷贝的实现
实现深拷贝通常涉及以下几个步骤：
- 为新对象分配内存：如果原始对象包含动态分配的内存，深拷贝的第一步是为新对象分配相应的内存空间。
- 复制数据：将原始对象中的数据复制到新分配的内存中。如果数据本身也是对象（即对象包含指向其他对象的指针），则需要递归地应用深拷贝。
- 更新指针：将新对象的指针成员指向新分配的内存，而不是原始对象的内存。
- 处理其他资源：如果对象管理其他资源（如文件、网络连接等），则需要确保新对象也能正确地获取或创建这些资源的副本。
4.测试
测试代码如下：
void test1(){
//创建s1对象
Mystring::string s1("hello world");
//用s1对象拷贝构造s2对象
Mystring::string s2(s1);
//将s1对象赋值给s3对象
Mystring::string s3("hello");
s3=s1;
}
测试结果如下：
二.string类的访问和迭代器相关函数
1.访问相关函数
-
at()函数代码实现：//string文件中声明和定义 char& at(size_t pos) { //断言检查pos是否符合字符串的范围 assert(pos<_size); //直接返回字符数组对应下标上的字符即可 return _str[pos]; } -
operator[]函数代码实现：//string文件中声明和定义 //和at()函数同理 char& operator[](size_t pos) { assert(pos<_size); return _str[pos]; }
2.迭代器相关函数
1.普通string对象的迭代器
-
类型定义：
//普通string对象的迭代器类型 typedef char* iterator; -
begin()函数代码实现：//string文件中声明和定义 iterator begin()const { //返回_str首元素的地址 return _str; } -
end()函数代码实现：//string文件中声明和定义 iterator end()const { //返回_str最后一个元素的下一个位置的地址 return _str+_size; }
2.const string对象的迭代器
-
类型定义：
//const string对象的迭代器类型 typedef const char* const_iterator; -
cbegin()函数代码实现：//string文件中声明和定义 const_iterator begin()const { //返回_str首元素的地址 return _str; } -
cend()函数代码实现：//string文件中声明和定义 const_iterator end()const { //返回_str最后一个元素的下一个位置的地址 return _str+_size; }
3.测试
测试代码如下：
void test2(){
Mystring::string s1("hello world");
//使用opreator[]打印s1
for(size_t i=0;i<s1.size();i++){
cout<<s1[i]<<" ";
}
cout<<endl;
//使用普通对象的迭代器打印s1
Mystring::string::iterator it=s1.begin();
while(it!=s1.end()){
cout<<*it<<" ";
it++;
}
cout<<endl;
//使用const对象的迭代器打印s2
const Mystring::string s2("hello");
Mystring::string::const_iterator rit=s2.begin();
while(rit!=s2.end()){
cout<<*rit<<" ";
rit++;
}
cout<<endl;
}
测试结果如下：
三.string类的容量相关函数
1.容量大小相关函数
获取string对象的大小需要使用size()函数，获取容量则需要使用capacity()函数
-
size()函数代码实现://string.h文件中声明和定义 //直接返回_size即可 size_t size() { return _size; } -
capacity()函数代码实现：//string.h文件中声明和定义 //直接返回_capacity即可 size_t capacity() { return _capacity; }
2.扩容相关函数
string类扩容相关的函数主要是reserve()和resize()。
-
reserve()函数代码实现：//string.h文件中声明 void reserve(size_t); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::reserve(size_t n) { if(n>_capacity){ char*tmp=new char[n+1]; memcpy(tmp,_str,_size+1); delete[] _str; _str=tmp; _capacity=n; } } -
实现原理：
- 首先判断需要扩容的大小n是否大于原容量大小_capacity，如果小于则不进行扩容，大于时就需要扩容。
- 扩容时先开辟内存大小为(n+1)的动态内存空间，在设置一个新的字符指针tmp指向新的内存空间，然后将原string对象的数据拷贝到新的内存空间中。
- 释放原string对象的_str指针，再从新指向开辟的新内存空间，最后更改内存大小为n。
-
resize()函数代码实现：//string.h文件中声明 void resize(size_t n,char ch='\0'); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::resize(size_t n,char ch) { if(n>_capacity){ reserve(n); } if(n>_size){ for(size_t i=_size;i<n;i++){ _str[i]=ch; } } _size=n; _str[_size]='\0'; } -
实现原理：
-
首先依然是需要判断扩容的大小n是否大于原容量大小_capacity，和reserve()函数不同的是，resize对于扩容大小n小于原容量大小时会发生截断，大于时就会进行扩容操作，这里扩容操作直接调用reserve()函数即可。
-
如果扩容大小n大于原string对象的_size，需要将多余的空间初始化为参数ch，参数ch的缺省值设置为’\0’（要在声明中给），没有传参时，默认初始化为0。
-
3.测试
测试代码如下：
void test3(){
Mystring::string s1("hello world");
cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;
//s1容量扩为15
s1.reserve(15);
cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;
//s1容量扩为20，多余空间用字符a填充
s1.resize(20,'a');
cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;
cout<<s1<<endl;
//s1缩容为8，发生截断
s1.resize(8);
cout<<s1.size()<<" "<<s1.capacity()<<endl;
cout<<s1<<endl;
}
测设结果如下：
四.string类的修改相关函数
1.拼接操作相关函数
-
1.push_back()函数实现：
//string.h文件中声明 void push_back(char ch); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::push_back(char ch) { if(_size==_capacity){ reserve(_capacity==0?4:2*_capacity); } _str[_size]=ch; _size++; _str[_size]='\0'; }2.实现原理：
- push_back()函数的功能是尾插单个字符，在尾插之前要先判断是否需要扩容，在扩容时，如果需要尾插的string对象是空对象扩容 大小先设置为4，如果不是空对象则扩容大小是原容量的二倍，扩容直接调用reserve()函数即可。
- 插入时，将原来字符串的’\0’位置存放插入的字符ch，再将大小_size增加一，最后重新在字符串的结尾加上’\0’。
-
1.
append()函数实现：append()函数有两种不同的实现，一个是在原
string对象后增加单个字符，一个是增加字符串。//string.h文件中声明 void append(char ch); void append(const char* str); //string.cpp文件中定义 //增加单个字符 void Mystring::string::append(char ch) { push_back(ch); } //增加字符串 void Mystring::string::append(const char* str) { size_t len=strlen(str); if(_size+len>_capacity){ reserve(_size+len); } //_str加上_size就是原字符串结尾的位置，插入的字符串拷贝到原字符串后面 memcpy(_str+_size,str,len+1); _size+=len; }2.实现原理：
- 增加单个字符直接调用push_back函数。
- 增加字符串时，先获取插入字符串的大小len，然后判断原字符串的大小加上插入字符串的大小是否大于容量_capacity，如果大于需要先进行扩容，扩容大小为原字符串的大小加上插入字符串的大小。
- 将插入的字符串拷贝到原字符串后面，拷贝大小为len+1，然后修改_size值。
-
1.
operator+=函数实现：operator+=函数和append()函数一样有两种不同的实现，在原string对象后增加单个字符和字符串。//string.h文件中声明 string& operator+=(char ch); string& operator+=(const char* str); //string.cpp文件中定义 //增加单个字符 Mystring::string& Mystring::string::operator+=(char ch) { push_back(ch); return *this; } //增加字符串 Mystring::string& Mystring::string::operator+=(const char* str) { append(str); return *this; }2.实现原理：
- 增加单个字符直接调用push_back()函数，最后要返回this指针。
- 增加字符串直接调用append(const char* str)函数，最后返回this指针。
2.插入操作相关函数
-
insert()函数实现：1.插入n个字符：
//string.h文件中声明 void insert(size_t pos,size_t n,char ch); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::insert(size_t pos,size_t n,char ch) { assert(pos<_size); if((_size+n)>_capacity){ reserve(_size+n); } size_t end=_size; while(end>=pos&&end!=npos){ _str[end+n]=_str[end]; end--; } for(size_t i=0;i<n;i++){ _str[pos+i]=ch; } _size+=n; }实现原理：
- 如果原字符串大小加上插入的个数大于容量大小时，需要先进行扩容，扩容大小为原字符串大小加上插入的个数。
- 将插入位置后面的数据依次往后移动n个位置。
- 再将移动后空出来的位置插入n个字符ch。最后修改_size大小。
2.插入字符串：
//string.h文件中声明 void insert(size_t pos,const char*str); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::insert(size_t pos,const char*str) { assert(pos<_size); size_t len=strlen(str); if(_size+len>_capacity){ reserve(_size+len); } size_t end=_size; while(end>=pos&&end!=npos){ _str[end+len]=_str[end]; end--; } for(size_t i=0;i<len;i++){ _str[pos+i]=str[i]; } _size+=len; }实现原理：
- 插入字符串和插入n个字符原理相同，不同点是，最后插入时，需要依次插入字符串的字符。
3.删除操作相关函数
-
erase()函数实现：//string.h中声明 void erase(size_t pos,size_t len=npos); //string.cpp文件中定义 void Mystring::string::erase(size_t pos,size_t len) { assert(pos<_size); if(len==npos||pos+len>=_size){ _size=pos; _str[_size]='\0'; } else{ size_t end=len+pos; while(end<=_size){ _str[pos++]=_str[end++]; } _size-=len; } } -
实现原理：
- 删除要分为两种情况，第一种，如果删除的个数大于_size或者len等于npos值，直接从pos位置将后面全部删除。
- 第二种，依次将后面的字符往前移动，从而达到删除的目的。
4.测试
测试代码如下：
void test4(){
//创建一个空对象s1
Mystring::string s1;
//s1追加字符串hello
s1.append("hello");
cout<<s1<<endl;
//s1追加字符串world
s1+="world";
cout<<s1<<endl;
//s1尾插字符！
s1.push_back('!');
cout<<s1<<endl;
//在s1下标为6的位置插入***
s1.insert(6,"***");
cout<<s1<<endl;
//删除s1下标为10后面的所有字符
s1.erase(1