C++算法
C++ string 类模拟实现详解
深入探讨了 C++ 标准库 string 类的底层原理及模拟实现。重点讲解了浅拷贝与深拷贝的区别，以及构造函数、析构函数、赋值运算符重载等核心成员函数的实现细节。内容涵盖 reserve、push_back、append、insert、erase、find、substr 等常用方法的逻辑推导与代码编写，并提供了完整的头文件与源文件示例，帮助开发者理解内存管理与资源控制机制。
深入探讨了 C++ 标准库 string 类的底层原理及模拟实现。重点讲解了浅拷贝与深拷贝的区别，以及构造函数、析构函数、赋值运算符重载等核心成员函数的实现细节。内容涵盖 reserve、push_back、append、insert、erase、find、substr 等常用方法的逻辑推导与代码编写，并提供了完整的头文件与源文件示例，帮助开发者理解内存管理与资源控制机制。
上面已经对 string 类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现 string 类，最主要是实现 string 类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下 string 类的实现是否有问题？
// 为了和标准库区分，此处使用 String
struct String {
public:
// String() :_str(new char[1]) { *_str = '\0'; }
// String(const char* str = "\0") 错误示范
// String(const char* str = nullptr) 错误示范
String(const char* str = "") {
// 构造 String 类对象时，如果传递 nullptr 指针，可以认为程序非 if(nullptr== str){assert(false);return;}
if (nullptr == str) {
assert(false);
return;
}
_str = new char[strlen(str) + 1];
strcpy(_str, str);
}
~String() {
if (_str) {
delete[] _str;
_str = nullptr;
}
}
private:
char* _str;
};
// 测试
void TestString() {
String s1("hello bit!!!");
String s2(s1);
}
说明：上述 String 类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用 s1 构造 s2 时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2 共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。
浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致 多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。
就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。
可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。
如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。
// 传统写法
/*string(const string& s) {
_str = new char[s._capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}*/
// s2(s1) tmp 是 s2
// 现代写法
string(const string& s) {
string tmp(s._str); // 默认构造
swap(tmp); // 把 tmp 和 s2 交换
}
// s2=s1 赋值
// 传统写法
/*string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) {
delete[] _str;
_str = new char[s._capacity + 1];
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}*/
// s1=s3
// string& operator=(const string& s)
// {
// if (this != &s)
// {
// // 把 s3 的内容都给 tmp.然后 s1 与 tmp 交换
// // string tmp(s._str); 调用默认构造
// string tmp(s); // 调用拷贝构造
// swap(tmp);
// }
// // 而且 tmp 出了作用域自动销毁
// return *this;
// }
// 最新版本的赋值
string& operator=(string tmp) {
// 拷贝构造必须用引用，不然会无穷递归 但赋值不用
swap(tmp);
return *this;
}
~string() {
delete[] _str;
_str = nullptr;
_capacity = _size = 0;
}
void clear() {
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
void string::reserve(size_t n) {
if (n > _capacity) {
char* tmp = new char[n + 1]; // 永远多开一个空间
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void string::push_back(char ch) {
if (_size == _capacity) {
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
void string::append(const char* str) {
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity) {
reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
}
strcpy(_str + _size, str); // _str+size 就是\0的位置
_size += len;
}
void string::insert(size_t pos, char ch) // 插字符
{
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity) {
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + 1;
while (end > pos) {
_str[end] = _str[end - 1]; // 如果 end=_size _str[end+1]=_str[size] 当 end 减到 -1 时与 pos 比较会隐式类型转换
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}
void string::insert(size_t pos, const char* str) // 插字符串
{
assert(pos <= _size);
// 扩容
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity) {
reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + len;
if (len == 0) return;
while (end > pos + len - 1) // end=pos+len 时也要继续
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
_str[pos + i] = str[i];
}
_size += len;
}
void string::erase(size_t pos, size_t len) // 缺省参数在声明的时候给
{
assert(pos < _size);
if (len > _size - pos) {
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
} else {
for (size_t i = pos + len; i <= _size; i++) {
_str[i - len] = _str[i];
}
_size -= len;
}
}
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;
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos) {
assert(pos < _size);
const char* ptr = strstr(_str + pos, str); // strstr 返回第一个字串位置
if (ptr == nullptr) {
return npos;
} else {
return ptr - _str;
}
}
string string::substr(size_t pos, size_t len) {
assert(pos < _size);
// len 太大就调整一下
if (len > _size - pos) {
len = _size - pos;
}
string sub;
sub.reserve(len);
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
sub += _str[pos + i];
}
return sub;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}
bool operator==(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
bool operator>(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2 || s1 == s2);
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2) {
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2);
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 == s2);
}
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
for (auto ch : s) {
out << ch;
}
return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s) {
s.clear();
const int N = 256;
char buff[N];
int i = 0;
char ch;
// in >> ch; cin 默认提取不到空格跟换行
ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n') {
buff[i++] = ch;
if (i == N - 1) {
buff[i] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
s += ch;
// in >> ch;
ch = in.get();
if (i > 0) {
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
}
return in;
}
#include "string.h"
namespace bit {
void string::reserve(size_t n) {
if (n > _capacity) {
char* tmp = new char[n + 1]; // 永远多开一个空间
strcpy(tmp, _str);
delete[] _str;
_str = tmp;
_capacity = n;
}
}
void string::push_back(char ch) {
if (_size == _capacity) {
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
_str[_size] = ch;
++_size;
_str[_size] = '\0';
}
string& string::operator+=(char ch) {
push_back(ch);
return *this;
}
void string::append(const char* str) {
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity) {
reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
}
strcpy(_str + _size, str); // _str+size 就是\0的位置
_size += len;
}
string& string::operator+=(const char* str) {
append(str);
return *this;
}
void string::insert(size_t pos, char ch) {
assert(pos <= _size);
if (_size == _capacity) {
reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + 1;
while (end > pos) {
_str[end] = _str[end - 1]; // 如果 end=_size _str[end+1]=_str[size] 当 end 减到 -1 时与 pos 比较会隐式类型转换
--end;
}
_str[pos] = ch;
++_size;
}
void string::insert(size_t pos, const char* str) {
assert(pos <= _size);
// 扩容
size_t len = strlen(str);
if (_size + len > _capacity) {
reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
}
size_t end = _size + len;
if (len == 0) return;
while (end > pos + len - 1) // end=pos+len 时也要继续
{
_str[end] = _str[end - len];
--end;
}
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
_str[pos + i] = str[i];
}
_size += len;
}
void string::erase(size_t pos, size_t len) // 缺省参数在声明的时候给
{
assert(pos < _size);
if (len > _size - pos) {
_str[pos] = '\0';
_size = pos;
} else {
for (size_t i = pos + len; i <= _size; i++) {
_str[i - len] = _str[i];
}
_size -= len;
}
}
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;
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos) {
assert(pos < _size);
const char* ptr = strstr(_str + pos, str); // strstr 返回第一个字串位置
if (ptr == nullptr) {
return npos;
} else {
return ptr - _str;
}
}
string string::substr(size_t pos, size_t len) {
assert(pos < _size);
// len 太大就调整一下
if (len > _size - pos) {
len = _size - pos;
}
string sub;
sub.reserve(len);
for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
sub += _str[pos + i];
}
return sub;
}
void test_string1() {
string s1;
string s2("hello world");
cout << s1.c_str() << endl;
cout << s2.c_str() << endl;
for (size_t i = 0; i < s2.size(); ++i) {
s2[i] += 2;
}
cout << s2.c_str() << endl;
for (auto e : s2) {
cout << e << " ";
}
cout << endl;
string::iterator it = s2.begin();
while (it != s2.end()) {
cout << *it << " ";
++it;
}
}
void test_string2() {
string s1("hello wwww");
s1 += 'x';
cout << s1.c_str() << endl;
s1.insert(3, "sss");
cout << s1.c_str() << endl;
s1.erase(3, 2);
cout << s1.c_str() << endl;
}
void test_string3() {
string s("666.cpp.zip");
size_t pos = s.find('.');
string suffix = s.substr(pos);
cout << suffix.c_str() << endl;
string copy(s);
cout << copy.c_str() << endl;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}
bool operator==(const string& s1, const string& s2) {
return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
bool operator>(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2 || s1 == s2);
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2) {
return s1 < s2 || s1 == s2;
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 < s2);
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2) {
return !(s1 == s2);
}
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
for (auto ch : s) {
out << ch;
}
return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s) {
s.clear();
const int N = 256;
char buff[N];
int i = 0;
char ch;
// in >> ch; cin 默认提取不到空格跟换行
ch = in.get();
while (ch != ' ' && ch != '\n') {
buff[i++] = ch;
if (i == N - 1) {
buff[i] = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
s += ch;
// in >> ch;
ch = in.get();
if (i > 0) {
buff[i] = '\0';
s += buff;
}
}
return in;
}
void test_string4() {
string s1("hello");
cin >> s1;
cout << s1 << endl;
cout << "he";
}
int main() {
bit::test_string4();
}
}
#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <string.h>
using namespace std;
namespace bit {
class string {
public:
// string()
// : _str(new char[1]{\'0\'})
// 不能给 nullptr 因为会对空指针解引用
// , _size(0)
// ,_capacity(0)
// {}
// 短小频繁调用的函数，可以直接放到类里面，默认是 inline
typedef char* iterator; // 迭代器就是对各类型的封装
iterator begin() {
return _str;
}
iterator end() {
return _str + _size;
}
typedef const char* const_iterator;
const_iterator begin() const {
return _str;
}
const_iterator end() const {
return _str + _size;
}
size_t capacity() const {
return _capacity;
}
void reserve(size_t n);
void push_back(char ch);
void append(const char* str);
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char* str);
void insert(size_t pos, char ch);
void insert(size_t pos, const char* str);
void erase(size_t pos, size_t len = npos);
size_t find(char ch, size_t pos = 0);
size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);
string(const char* str = "") // "" 就相当于一个\0
{
_size = strlen(str);
_capacity = _size; // capacity 不加 1，因为 capacity 不包含\0
_str = new char[_capacity + 1]; // 空间多开一个放\0
strcpy(_str, str); // 会把\0 也拷贝过去
}
// s2(s1) 拷贝构造
// 传统写法
/*string(const string& s) {
_str = new char[s._capacity + 1];
strcpy(_str, s._str);
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}*/
// s2(s1) tmp 是 s2
// 现代写法
string(const string& s) {
string tmp(s._str); // 默认构造
swap(tmp); // 把 tmp 和 s2 交换
}
// s2=s1 赋值
// 传统写法
/*string& operator=(const string& s) {
if (this != &s) {
delete[] _str;
_str = new char[s._capacity + 1];
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}
return *this;
}*/
// s1=s3
// string& operator=(const string& s)
// {
// if (this != &s)
// {
// // 把 s3 的内容都给 tmp.然后 s1 与 tmp 交换
// // string tmp(s._str); 调用默认构造
// string tmp(s); // 调用拷贝构造
// swap(tmp);
// }
// // 而且 tmp 出了作用域自动销毁
// return *this;
// }
// 最新版本的赋值
string& operator=(string tmp) // 拷贝构造必须用引用，不然会无穷递归 但赋值不用
{
swap(tmp);
return *this;
}
void swap(string& s) {
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_size, s._size);
std::swap(_capacity, s._capacity);
}
~string() {
delete[] _str;
_str = nullptr;
_capacity = _size = 0;
}
void clear() {
_str[0] = '\0';
_size = 0;
}
const char* c_str() const {
return _str;
}
size_t size() const {
return _size;
}
char& operator[](size_t pos) {
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const {
assert(pos < _size);
return _str[pos];
}
private:
char* _str = nullptr;
size_t _size = 0;
size_t _capacity = 0;
// 下列这也算定义
static const size_t npos = -1; // 静态成员类外初始化，但是这里可以也直接给，static const 才可以在这里直接初始化，而且只有整型可以这么玩
};
// const size_t npos = -1;
}
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