【C++】STL容器之string

2022-03-08 12:38:19

前言

C++引入了面向对象的思想，相比于C语言，一个类能更好地对一些数据结构进行管理和操作。

在C语言中，我们使用字符数组和string.h中的库函数来维护一个字符串，数据与方法分离不说，由于底层的空间是自己维护的，稍不留神就可能造成越界

在C++中，基于面向对象的思想，用来管理字符串的string类便应运而生，从本质上讲，string类就是一个被封装了的字符数组

目录

1.string的简介

我们学习STL时，文档是我们的利器，学会查文档会让学习事半功倍，以下是两个C++文档网站：

string的文档介绍：

  1. 字符串是表示字符序列的类。
  2. 标准的字符串类提供了对此类对象的支持，其接口类似于标准字符容器的接口，但添加了专门用于操作单字节字符字符串的设计特性。
  3. string类是使用char(即作为它的字符类型，使用它的默认char_traits和分配器类型(关于模板的更多信息，请参阅basic_string)。
  4. string类是basic_string模板类的一个实例，它使用char来实例化basic_string模板类，并用char_traits和allocator作为basic_string的默认参数(根于更多的模板信息请参考basic_string)。
  5. 注意，这个类独立于所使用的编码来处理字节:如果用来处理多字节或变长字符(如UTF-8)的序列，这个类的所有成员(如长度或大小)以及它的迭代器，将仍然按照字节(而不是实际编码的字符)来操作。
typedef basic_string<char, char_traits, allocator> string

也就是说，我们常提到的string其实是basic_string类模板的使用单字节char的实例化并typedef成了string，basic_sring亦可以用双字节的wchar_t实例化，用以处理ascii码无法表示的其他文字，如中文等

2.string的常见接口及模拟实现

2.1 string类对象的常见构造

函数名 功能
string() 构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) 用常量字符串来构造string类对象
string(size_t n, char c) string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) 拷贝构造函数
~string() 析构函数
operator= 赋值重载，将一个string对象赋值给另一个string对象

多种构造函数的使用：

void Teststring()
{
string s1; // 构造空的string类对象s1
string s2("hello world"); // 用C格式字符串构造string类对象s2
string s3(s2); // 拷贝构造s3
}

接口的模拟实现：

  • 构造函数
//全缺省带参默认构造函数
basic_string(const T* s = "")
	:_size(strlen(s))
	,_capacity(strlen(s)) 
{
	_str = new T[_size + 1];
	strcpy(_str, s);
}
  • 析构函数
//析构函数
~basic_string() {
	delete[] _str;
	_str = nullptr;
	_size = 0;
	_capacity = 0;
}
  • 拷贝构造
//拷贝构造(现代写法)
basic_string(const basic_string& str)
	: _str(nullptr)
	{
		if (this != &str) {
			basic_string tmp(str._str);
			swap(tmp);
	}
}
  • 赋值重载
//赋值重载(现代写法2)
basic_string& operator=(basic_string str) {
	swap(str);
	return *this;
}

2.2 string类对象的容量操作

接口名称 接口作用
size() 返回字符串有效字符长度（’\0’之前的字符长度）
length() 同size()
capacity() 返回当前分配给字符串的空间大小
empty() 判断字符串是否为空字符串
reserve(n) 重置capacity的大小，为字符串预留空间
resize(n, c) 重置有效字符，将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充
clear() 清空有效字符，将字符串变为空字符串

注意：

  1. size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。
  2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
  3. resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
  4. reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

接口的模拟实现：

  • size()
//size()接口
size_t size() const{
	return _size;
}
  • length()
//length()接口
size_t length() const{
	return _size;
}
  • capacity()
//capacity()接口
size_t capacity() const {
	return _capacity;
}
  • empty()
// 判空
bool empty() const {
	return _size == 0;
}
  • reserve(n)
void reserve(int new_capacity) {
	T* tmp = new T[new_capacity + 1];//多开的一个T的大小用来存'\0'
	strcpy(tmp, _str);
	delete[] _str;
	_str = tmp;
	tmp = nullptr;
	_capacity = new_capacity;
	}
  • resize(n, c)
void resize(size_t n, T c = '\0') {
	if (n <= _size) {
		_str[n] = '\0';
		_size = n;
	}
	else {
		if (n > _capacity) {
			reserve(n);	
		}
		for (size_t i = _size; i < n; i++) {
			_str[i] = c;
		}
		_str[n] = '\0'; 
		_size = n;
	}
}
  • clear()
// 清除
void clear() {
	_str[0] = '\0';
	_size = 0;
}

2.3 string类对象获取元素和迭代器的接口

接口名称 接口作用
operator[ ] 返回pos位置的字符
begin() 返回第一个有效字符的迭代器
end() 返回最后一个字符下一个位置的迭代器
rbegin() 返回最后一个有效字符的迭代器
rend() 返回第一个字符的前一个位置的迭代器

注意：在string类里，迭代器就是字符指针
注意：auto it = rbegin(); it++是让it指向前面一个位置的地址

接口的模拟实现：

  • operator[]
//重载[]
T& operator[](size_t pos) {
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}
const T& operator[](size_t pos) const{
		assert(pos < _size);
		return _str[pos];
	}
  • begin() 和 end()
typedef T* iterator;
iterator begin() {
	return _str;
}
iterator end() {
	return _str + _size;
}

2.4 string类对象修改元素接口

接口名称 接口作用
push_back() 在字符串后尾插字符c
append() 在字符串后尾插字符串s
operator+= 在字符串后尾插字符c/字符串s
insert() 在字符串下标为pos的位置开始插入n个字符c/字符串s
erase() 在字符串下标为pos的位置开始删除n个字符c/字符串s
swap() 交换两个类对象

接口的模拟实现：

  • push_back() / +=
//push_back尾插一个字符
void push_back(const T c) {
	if (_size == _capacity) {
		size_t new_capacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
		reserve(new_capacity);
	}
	_str[_size] = c;
	_size++;
	_str[_size] = '\0';
}
// 复用push_back  重载+=字符
void operator+=(const T c) {
	push_back(c);
}
  • qppend() / +=
//append尾插字符串
void append(const T* str) {
		size_t len = strlen(str);
		if (_size + len > _capacity) {
			reserve(_size + len);
		}
		strcpy(_str + _size, str);
		_str[_size + len] = '\0';
		_size += len;
	}
//复用append，重载+=字符串
void operator+=(const T* str) {
	append(str);
}
  • insert()
//插入字符
basic_string& insert(size_t pos, const T c) {
	assert(pos <= _size);
	if (_size == _capacity) {
		size_t new_capacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
		reserve(new_capacity);
	}
	_size++;
	size_t end = _size + 1;
	while (end > pos) {
		_str[end] = _str[end - 1];
		end--;
	}
	_str[pos] = c;
	return *this;
}
//插入字符串
basic_string& insert(size_t pos, const T* s) {
	assert(pos <= _size);
	size_t len = strlen(s);
	if (len + _size > _capacity) {
		reserve(len + _size);
	}
	size_t end = _size + len;
	while (end - len + 1 > pos) {
		_str[end] = _str[end - len];
		end--;
	}
	_size += len;
	memcpy(begin() + pos, s, len * sizeof(T));
	return *this;
}
  • erase()
iterator erase(size_t pos, size_t len = npos) {
	assert(pos < _size);
	if (pos + len >= _size) {
		_str[pos] = '\0';
	}
	else {
		strcpy(begin() + pos, begin() + pos + len);
	}
	_size = strlen(_str);
	return begin() + pos;
}
  • swap()
void swap(basic_string& str) {
	::swap(_size, str._size);
	::swap(_capacity, str._capacity);
	::swap(_str, str._str);
}

2.5 string类字符串操作接口

接口名称 接口作用
find() 从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的位置，找不到返回npos
rfind() 从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的位置，找不到返回npos
c_str() 以常量字符串的形式返回string类对象中的字符指针
substr() 从pos位置开始往后截取长度为n的子串s，返回新的子串的类；n默认为npos

接口的模拟实现：

  • find()
size_t find(const T c, size_t pos = 0) const {
	assert(pos < _size);
	for (size_t i = pos; i < _size; i++) {
		if (_str[i] == c) {
			return i;
		}
	}
	return npos;
}
size_t find(const T* s, size_t pos = 0) const {
	assert(pos < _size);
	T* ret = strstr(_str + pos, s);
	if (ret == nullptr) {
		return npos;
	}
	else {
		while (*ret != _str[pos]) {
			pos++;
		}
		return pos;
	}
}
  • c_str()
const T* c_str() const {
	return _str;
}
  • substr()
basic_string substr(size_t pos, size_t n = npos) {
	assert(pos < _size);
	basic_string tmp;
	tmp.resize(_size);
	if (pos + n >= _size || n == npos) {
		strcpy(tmp._str, _str + pos);
		_size -= pos + 1;
	}
	else {
		strcpy(tmp._str, _str + pos);
		*(tmp._str + n) = '\0';
		_size = n;
	}
	cout << _size << endl;
	return tmp;
}

2.6 成员常量

接口名称 接口作用
npos static const size_t npos = -1;

接口的模拟实现：

  • npos
static const size_t npos = -1;

2.7 非成员函数重载

接口名称 接口作用
operator+ 返回一个2个字符串相加的新构造的字符串对象
operator<< 输出所有有效字符
operator>> 输入，遇到空格或换行终止
getline() 输入，遇到换行终止

接口的模拟实现：

  • operator+
//operator+
basic_string operator+(const basic_string& str) {
	basic_string ret(*this);
	ret += str._str;
	return ret;
}
basic_string operator+(const T* s) {
	basic_string ret(*this);
	ret += s;
	return ret;
}
  • operator<<
ostream& operator<<(ostream& out, const basic_string<char>& str) {
	for (size_t i = 0; i < str.size(); i++) {
		out << str[i];
	}
	return out;
}
  • operator>>
istream& operator>>(istream& in, basic_string<char>& str) {
	str.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n') {
		str += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}
  • getline()
istream& getline(istream& in, basic_string<char>& str) {
	str.clear();
	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != '\n') {
		str += ch;
		ch = in.get();
	}
	return in;
}

2.8 string类对象比较运算符的重载

接口名称 接口作用
< 小于
== 等于
!= 不等于
> 大于
>= 大于等于
<= 小于等于

接口模拟实现：

  • <
bool operator<(const basic_string& str) {
	size_t end = 0;
	while (end < _size && end < str._size) {
		if (_str[end] > str._str[end]) {
			return false;
		}
		else if(_str[end] < str._str[end]){
			return true;
		}
		end++;
	}
	if (end == str._size) {
		return false;
	}
	else {
		return true;
	}
}
  • ==
bool operator==(const basic_string& str) {
	if (_size != str._size) {
		return false;
	}
	size_t end = 0;
	while (end < _size && end < str._size) {
		if (_str[end] != str._str[end]) {
			return false;
		}
		end++;
	}
	return true;
}
  • !=
bool operator!=(const basic_string& str) {
	return !(*this == str);
}
  • >
bool operator>(const basic_string& str) {
	return !((*this < str) || (*this == str));
}
  • >=
bool operator>=(const basic_string& str) {
	return !(*this < str);
}
  • <=
bool operator<=(const basic_string& str) {
	return !(*this > str);
}

2.9 string类对象的三种遍历方式

void Teststring()
{
	string s("hello world");
	// 3种遍历方式：
	// 需要注意的以下三种方式除了遍历string对象，还可以遍历是修改string中的字符，
	// 另外以下三种方式对于string而言，第一种使用最多
// 1. for+operator[]
	for(size_t i = 0; i < s.size(); ++i)
		cout<<s[i]<<endl;
// 2.迭代器
	string::iterator it = s.begin();
	while(it != s.end())
	{
		cout<<*it<<endl;
		++it;
	}
	string::reverse_iterator rit = s.rbegin();
	while(rit != s.rend())
	{
		cout<<*rit<<endl;
		rit++;
	}
// 3.范围for
	for(auto ch : s)
		cout << ch << endl;
}

3.如何熟悉接口——刷题

刷题必是初学者掌握STL的最佳方法。以题代学，事半功倍。奉上若干string的习题

牛客网：

leetcode：

4.还想说的话

  1. 模拟实现stl是个无聊、耗时的过程，但是能够帮助我们很深刻地理解指针、数据结构 、面向对象编程以及逻辑思维能力、代码能力

  2. 《 STL源码剖析》------侯捷，打算读一读

  3. 本博客所有代码：github、gitee

上一篇：Codeforces 1632 D. New Year Concert —— 线段树+尺取


下一篇：1987. 粉刷栅栏