文章目录
- 引言
- 1.类的基本结构
- 2.构造函数和析构函数
- 3.基本成员函数
- 总结
引言
在C++编程中，字符串操作是非常常见且重要的任务。标准库中的std::string类提供了丰富且强大的功能，使得字符串处理变得相对简单。然而，对于学习C++的开发者来说，深入理解std::string的内部实现原理是非常有益的。通过亲手实现一个类似的String类，不仅可以帮助我们掌握面向对象编程的基本概念，还能增强我们对内存管理和字符串操作的理解。
在这篇博客中，我们将从零开始，逐步实现一个自定义的C++ String类。我们的目标是构建一个功能完整且高效的字符串类，同时尽可能地模仿std::string的行为。我们将讨论类的基本结构、构造函数和析构函数的实现、基本成员函数的设计、运算符重载、内存管理，以及如何编写测试代码来验证我们的实现。
通过这篇文章，您将学到如何在C++中进行动态内存分配和管理，如何实现深拷贝和移动语义，如何重载运算符以提升类的易用性，等等。无论您是刚刚入门的C++学习者，还是希望深入理解C++底层实现的开发者，这篇文章都将为您提供宝贵的知识和实践经验。
让我们一起来探索C++ String类的实现之旅吧！
1.类的基本结构
1.1定义类
#include
#include using namespace std; namespace lyrics { class string { public: typedef char* iterator; typedef const char* const_iterator; //迭代器 iterator begin(); iterator end(); const_iterator begin()const; const_iterator end()const; //构造函数 string(const char* str = ""); string(const string& s); //析构函数 ~string(); // const char* c_str() const; //返回大小 size_t size() const; //运算符重载 char& operator[](size_t pos); const char& operator[](size_t pos)const; //空间扩容 void reserve(size_t n); //尾插一个字符 void push_back(char ch); //尾插一个字符串 void append(const char* str); //运算符重载+=操作 string& operator+=(char ch); string& operator+=(const char* str); //插入操作，插入一个字符串和插入一个字符 void insert(size_t pos, char ch); void insert(size_t pos, const char* str); //删除某段字符 void erase(size_t = 0, size_t len = npos); //查找某个字符串或者字符 size_t find(char ch, size_t pos = 0); size_t find(const char* str, size_t pos = 0); //赋值拷贝 string& operator=(const string& s); //交换函数 void swap(string& s); //取子串 string substr(size_t pos = 0, size_t = npos); //比较函数运算符重载 bool operator<(const string& s)const; bool operator<=(const string& s)const; bool operator>(const string& s)const; bool operator>=(const string& s)const; bool operator==(const string& s)const; //清理 void clear(); private: size_t _size; size_t _capacity; char* _str; const static size_t npos; }; //非成员函数，，重载流插入和流提取 istream& operator>>(istream& is, string& str); ostream& operator<<(ostream& is, string& str); } 用命名空间形成类域将其与全局作用域隔开，防止发生命名冲突
1.2私有成员变量
- size_t _size;
_size表示当前string的有效空间
- size_t _capacity;
_capaciity表示当前string的总的空间容量
- char _str;*
_str表示存储字符串的指针
- const static size_t npos;
npos表示一个静态变量
1.3公有成员函数
公有成员函数代码上有标识
2.构造函数和析构函数
2.1构造函数
这里我们直接将构造函数和拷贝构造写成一个函数
string::string(const char* str)//指定类域 //strlen的效率很低 //初始化列表+写在内部函数 :_size(strlen(str)) { _str = new char[_size + 1]; _capacity = _size; strcpy(_str, str); }2.2赋值拷贝函数
注意：这里赋值拷贝函数由于我们不知道两个串到底有多长，所以我们直接将需要赋值拷贝的串给释放了，然后重新开一个空间，将s中的串拷贝给新的空间，这样虽然很暴力，但是少了很多不必要的讨论
string& string::operator=(const string& s) { char* tmp = new char[s._capacity + 1]; strcpy(tmp, s._str); delete[] _str; _str = tmp; _size = s._size; _capacity = s._capacity; return *this; }2.3c_str函数
const char* string::c_str() const { return _str; }** 2.4析构函数**
由于str的空间是我们手动开辟的所以，需要我们用Delete来释放，这里释放之后将其置位空指针即可，然后重置我们的size和capacity
string::~string() { delete[] _str; _str = nullptr; _size = 0; _capacity = 0; }3.基本成员函数
3.1获取字符串长度
size_t string::size() const { return _size; }3.2operator[]重载
这里直接返回pos位置对应的元素即可
char& string::operator[](size_t pos) { assert(pos < _size); return _str[pos];//返回pos位置的字符 }3.3const版本的operator[]重载
//const版本的[]重载 const char& string::operator[](size_t pos)const { return _str[pos]; }3.4预开辟空间
注意：这里预开辟的空间要是比实际空间小，则不进行操作，若预开辟的空间比实际空间大，则进行空间的开辟
void string::reserve(size_t n) { if (n > _capacity) { //开新空间 char* tmp = new char[n + 1]; //拷贝数据 strcpy(tmp, _str); //释放新空间 delete[] _str; //指向新空间 _str = tmp; //更新容量 _capacity = n; } }3.5尾插
这里尾插一个字符也很简单，先检查一下空间是否允许再插入，如果空间不够则先开辟两倍的空间，如果以前的空间是0，则先预开辟4个空间
//尾插一个字符 void string::push_back(char ch) { if (_capacity == _size) { size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2; reserve(newcapacity); } _str[_size++] = ch; _str[_size] = '\0'; }3.6尾插一个字符串
这里尾插一个字符串，只需要先检查一下空间是否够用，然后再进行尾插，尾插可以直接调用字符串拷贝函数，将字符串拷贝到指定的位置
//尾插一个字符串 void string::append(const char* str) { size_t len = strlen(str); if (_capacity == _size) { reserve(_size + len);//当前的size+len } //strcat(_str, str);//效率不高 //从当前位置开始自己去找\0，所以效率不高 strcpy(_str + _size, str);//_str+_size就是\0的位置 _size += len; }3.7迭代器
注意：下面的迭代器iterator是提前在头文件中声明好的，在.cpp文件中直接用，不明白的可以看上面的头文件中的声明
- 非const版本的迭代器
//普通版本的迭代器 string::iterator string::begin() { return _str; } string::iterator string::end() { return _str + _size; }- const版本的迭代器
//const版本的迭代器 string::const_iterator string::begin()const { return _str; } string::const_iterator string::end()const { return _str + _size; }** 3.8operator+=重载**
由于在实际使用中push_back和append的使用确实比较少，，也没有+=方便，所以下面我们直接重载一个operator+=操作，+=操作只需要复用上面的push_back和append即可
//运算符重载 //传引用返回出了作用域这个对象还在 string& string::operator+=(char ch) { push_back(ch); return *this; } string& string::operator+=(const char* str) { append(str); return *this; }3.9随机插入一个字符串和一个字符
- 插入一个字符
这里还是需要检查一下空间是否重充足，还需要检查一下插入的位置是否合法，insert的效率也不是很高，因为它需要移动插入位置后面的整个子串，当头插的时候时间复杂度变成了O(N)
void string::insert(size_t pos, char ch) { assert(pos <= _size); if (_capacity == _size) { size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2; reserve(newcapacity); } size_t end = _size + 1; while (end > pos)//因为有符号和无符号比较，两个类型不同会将有符号强制类型转换成无符号 //所以这里直接把pos强制类型转换成int { _str[end] = _str[end - 1]; end--; } _str[pos] = ch; _size++; }- 插入一个字符串
插入一个字符串，可以直接服用insert插入单个字符串的版本，这里我写成了注释，大家可以试试，如果不想复用还是可以参考上面插入单个字符串的思路，但是需要注意的是，移动的距离不是1了变成len了，还有一个需要注意的点，就是控制边界条件，当end到达pos+len的时候由于这个位置的元素还是需要被移动，所以这里是大于的是pos+len-1
void string::insert(size_t pos, const char* str) { assert(pos <= _size); size_t len = strlen(str); if (_capacity == _size) { reserve(_size + len);//当前的size+len } //第一种方法 //int end = len - 1; //while (end >= 0) //{ // insert(pos, str[end]); // end--; //} size_t end = _size + len;//找到插入的后一个位置 while (end > pos + len - 1) { _str[end] = _str[end - len]; end--; } memcpy(_str + pos, str, len); _size += len; }4.0删除某段字符串
注意：在声明中len的缺省参数给的是npos，当我的长度大于pos对应的后面对应的长度的时候，这时候就有多少删多少，所以我们需要判断一下，第一个if判断的就是判断我们删除的长度是否已经超过了后面的长度，如果超过了就直接进入第一个if删除后面的所有，也就是把pos位置置为\0，然后将_size更新，如果不是的话可以直接将pos+len位置的子字符串拷贝到pos位置之后
//从pos位置删除len个字符 void string::erase(size_t pos, size_t len) { assert(pos < _size); //当删除的长度len大于后面的长度的时候 //直接把后面的删完 if (len >= _size - pos) { _str[pos] = '\0'; _size = pos; } else { strcpy(_str + pos, _str + pos + len);//直接把后面的copy到前面 _size -= len; } }4.1查找函数
- 查找单个字符
size_t string::find(char ch, size_t pos) { for (size_t i = pos;i < _size;i++) { if (_str[i] == ch) { return i; } } return npos; }- 查找字符串
查找字符串的话可以直接用C语言的库函数进行查找
size_t string::find(const char* sub, size_t pos) { const char* str = strstr(_str + pos, sub); return str - _str; }4.2深拷贝
//深拷贝 string::string(const string& s) { _str = new char[s._capacity + 1]; strcpy(_str, s._str); _size = s._size; _capacity = s._capacity; }4.3交换函数
这里不用库里的交换函数因为库里的交换函数的效率太低了，我们可以简单看看库里交换函数的代码
这里可以看到库里的swap函数是直接拷贝构造一个零时的对象，然后进行两次赋值拷贝，这样做效率是极低的，因为是内置类型，两次赋值拷贝都会进行创建新空间，然后释放旧的空间，这样的成本是很大的，所以可以直接写一个swap对内置类型进行交换，直接交换两个指针的指向，还有size和capacity即可
void string::swap(string& s) { //内置类型交换代价更小 std::swap(_str, s._str); std::swap(_size, s._size); std::swap(_capacity, s._capacity); }4.4取子串
string string::substr(size_t pos, size_t len) { //检查pos是否合法 assert(pos <= _size); //如果len大于后面的长度那么就后面有多少取多少 if (len > _size - pos) { //直接取后面的子串 string sub(_str + pos);//从pos位置开始进行拷贝构造！！！！ //返回子串 return sub; } else { //构造子串 string sub; //预开辟空间 sub.reserve(len); //循环拷贝 for (size_t i = 0;i < len;i++) { sub += _str[pos + i]; } //返回子串 return sub; } }4.5比较函数operator的一系列重载
这里只需要重载两个即可，其他的只需要进行复用就够了，比较函数的重载可以直接调用C语言中的字符串比较函数
bool string::operator<(const string& s)const { return strcmp(_str, s._str) < 0; } bool string::operator<=(const string& s)const { return *this < s || *this == s; } bool string::operator>(const string& s)const { return !(*this <= s); } bool string::operator>=(const string& s)const { return !(*this < s); } bool string::operator==(const string& s)const { return strcmp(_str, s._str); }4.6流插入和流提取
- 流插入
注意：流插入重载的时候需要清除前面的字符串，所以这里我们提供了一个clear函数进行以前字符串的清理，这里由于is不能识别空格或者回车，所以我们直接调用is的成员函数get，get可以识别空格和回车，然后识别到回车之后，直接停止赋值，返回值是istream
void string::clear() { _str = '\0'; _size = 0; } istream& operator>>(istream& is, string& str) { str.clear(); char ch = is.get(); while (ch != ' '&& ch != '\n') { str += ch; } return is; }- 流提取
流提取也不用直接访问成员变量，流提取可以直接一个字符一个字符的访问，通过operator[]的重载访问，一个一个大打印
ostream& operator<<(ostream& os, string& str) { for (size_t i = 0;i < str.size();i++) { os << str[i]; } return os; }总结
在这篇博客中，我们从零开始，逐步实现了一个自定义的 C++ String 类。通过这个过程，我们不仅深入了解了字符串操作的内部工作原理，还掌握了许多 C++ 编程的重要概念和技巧。让我们回顾一下我们在这篇文章中所做的工作：
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类的基本结构
我们定义了 String 类的基本结构，包括私有成员变量和公共成员函数。我们了解了如何封装数据，保护类的内部实现细节，并提供一个干净的公共接口。
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构造函数和析构函数
我们实现了默认构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数和析构函数，确保我们的 String 类能够正确地初始化、复制、移动和销毁对象。我们讨论了深拷贝和移动语义的区别，以及如何有效地管理资源。
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基本成员函数
我们实现了获取字符串长度的 length 函数和返回 C 风格字符串的 c_str 函数。这些函数使我们的 String 类更实用，并与 C++ 标准库中的 std::string 类的行为保持一致。
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运算符重载
我们重载了拷贝赋值运算符和移动赋值运算符，以确保我们的 String 类支持赋值操作，同时有效地管理内存。我们还可以进一步扩展，重载其他运算符，如加法运算符和比较运算符。
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内存管理
我们深入探讨了动态内存分配和释放的细节，确保我们的 String 类不会产生内存泄漏。通过使用 RAII（资源获取即初始化）原则，我们构建了一个健壮且高效的字符串类。
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示例和测试
通过示例代码和单元测试，我们验证了 String 类的正确性和功能。这不仅提高了我们的代码质量，也帮助我们发现并修复了潜在的问题。
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优化与改进
虽然我们的 String 类已经具备了基本功能，但还有许多可以进一步优化和扩展的地方。我们可以添加更多的成员函数，如子字符串查找、字符串替换等，来增强类的功能。此外，性能优化也是一个重要方面，可以通过减少不必要的内存分配和拷贝来实现。
通过实现这个自定义的 String 类，我们不仅学会了如何在 C++ 中操作字符串，还增强了我们的面向对象编程技能和内存管理能力。希望这篇文章能够激发您对 C++ 编程的兴趣，并鼓励您继续探索和学习更多的编程技巧和设计模式。
感谢您的阅读！如果您有任何问题或建议，请随时在评论区留言，我们将一起讨论和交流。
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- 流提取
- 流插入
- 查找字符串
- 查找单个字符
- 插入一个字符串
- 插入一个字符
- const版本的迭代器
![[工业自动化-1]：PLC架构与工作原理](https://img-blog.csdnimg.cn/ce10a1471ed14382bc58364cf8bd5209.png)
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