【C++ STL】模拟实现 string
标题：【C++ :: STL】手撕 STL _string@水墨不写bug
https://img-blog.csdnimg.cn/direct/fc3c93058963497faa5b08d056b0e985.png（图片来源于网络）
C++标准模板库（STL）中的string是一个可变长的字符序列，它提供了一系列操作字符串的方法和功能。
本篇文章，我们将模拟实现STL的string类的部分功能，以增强对STL的熟练度，相识STL容器的工作原理，积聚项目履历，也为将来自主实现和改造容器奠定坚固的基础。
STL的string类是一个模板，而我们为了方便实现，以达到练习的目标，我们临时先实现一个成员变量为（下图示）的string类。
char* _str;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
size_t _capacity;
C++ STL的string类提供了以下常用的成员函数和接口：
[*] 构造函数和赋值操作函数接口：
[*]默认构造函数：创建一个空字符串。
[*]带string参数的构造函数：将一个string对象复制到另一个string对象中。
[*]带字符数组参数的构造函数：将字符数组转换为string对象。
[*]带整数参数的构造函数：将整数转换为字符串。
[*]赋值操作符：用另一个string对象、字符数组或字符来赋值。
[*] 访问字符串内容相关函数接口：
[*]at()：返回指定位置的字符。
[*]operator[]：返回指定位置的字符。
[*]front()：返回第一个字符。
[*]back()：返回末了一个字符。
[*]c_str()：返回一个以空字符末端的字符数组。
[*] 修改字符串内容接口：
[*]insert()：在指定位置插入字符、字符串或字符数组。
[*]erase()：删除指定位置的字符。
[*]replace()：更换指定位置的字符串或字符。
[*]append()：在字符串末尾添加字符、字符串或字符数组。
[*]clear()：清空字符串。
[*] 字符串操作接口：
[*]size() 或 length()：返回字符串的长度。
[*]empty()：判断字符串是否为空。
[*]find()：查找指定字符串或字符的位置。
[*]substr()：返回指定位置和长度的子字符串。
[*]compare()：比力两个字符串
（具体用法在上一篇讲解：【Cpp::STL】标准模板库_ string详解）
（一）头文件
我们在C语言阶段实现声明和定义分离的时间，只是单一的把函数的定义放在.c（源）文件，把函数的声明，头文件的包罗，宏定义等放在.h（头）文件。
但是，在C++，不光要服从以上的规则，由于类的出现，必要域作用限定符（：：）来限定方位；由于成员的访问权限的出现，必要思量访问权限的问题；此外差别范例的成员的定义的位置也有讲究，比如静态成员尽量不要直接定义在头文件中，由于这会引发 多次包罗多文件 在链接时的 头文件内的对象的重定义问题。
本文根据STL标准模板库的功能，给出头文件，包括string类的定义，众多成员函数，部分非成员函数（流插入，流提取的重载），并在后半节具体讲解各个函数的实现思绪。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once
#include<iostream>
#include<cstring>
#include<cassert>
using namespace std;
namespace ddsm
{
class string
{
friend ostream& operator<<(ostream& out, const string& s1);
public:
//迭代器
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
const_iterator begin() const;
iterator end();
const_iterator end() const;
//传参构造,默认构造，给默认值为空串，巧妙
string(const char* str = "");
string(const string& s);//copy constructor
//string& operator=(const string& s);传统写法
string& operator=(const char* s);
string& operator=(string s);//现代写法
//析构
~string();
//C类型字符串
const char* c_str() const;
//保留
void reserve(int n);
string& push_back(const char ch);//尾插字符
string& append(const char* str);//尾插字符串
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char* str);
string& insert(size_t pos, const char ch);
string& insert(size_t pos, const char* str);
//缺省值代表最一般的情况
string& erase(size_t pos = 0,size_t len = npos);
//找一个字符
size_t find(const char ch, size_t pos = 0);
//找一个子串
size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
void swap(string& s);
string substr(size_t pos = 0,size_t len = npos);
string& clear();
private:
char* _str;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
size_t _capacity;
//特例，const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误
static size_t npos;
};
istream& operator>>(istream& in, string& s);
};
（二）string类的功能实现
（1）默认成员函数
i，构造函数
我们知道，构造函数的作用是在对象实例化时初始化对象，对于string类对象，含有三个基本成员变量：
char* _str;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
size_t _capacity; 经太过析，我们得知在构造函数内部，必要申请动态的堆区空间给_str;必要根据_str的长度变化来动态更新_size；同时根据申请的动态空间的长度来更新_capacity。
于是，我们理所当然的想到这样写构造函数：
string::string(const char* str = "")
// 缺省参数为一个空字符串，如果不传参，空字符串就是一个单独的'\0'
:_size(strlen(str))
,_capacity(strlen(str))
{
_str = new char;
strcpy(_str, str);
} 但是，这种简朴易懂的写法也袒露出了毛病：多次无意义的重复调用strlen，这会造成额外的消耗。于是，为了淘汰strlen的调用次数，我们思量这样修改:
string::string(const char* str)
:_size(strlen(str))
,_capacity(_size)
{
_str = new char;
strcpy(_str, str);
} 这样修改虽然办理了strlen重复无意义调用的问题，但是也带来了新的问题：
步伐稳定性下降的问题：
￥￥我们知道：初始化列表的初始化次序是成员函数在类中的声明次序：按照此例：
char* _str;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
size_t _capacity; 先初始化_size,再初始化_capacity；在这种背景下，如果代码有一些微小的改变，或许就会造成意想不到的问题。
如果改变成员变量的次序，那么初始化列表就会按照差别的次序初始化。具体来说，如果_capacity在_size之前，初始化列表就会先初始化_capacity：
char* _str;
size_t _capacity;
size_t _size;//字符串长度，不加上\0
这时_size还没有初始化，是随机值，那么就造成了_capacity为随机值的问题。
办理这个问题着实很简朴，将对_capacity的初始化放入函数体：
string::string(const char* str)
//strlen较低效，调用一次用size记录返回值
//size/capacity不包含\0，但是其需要存储
:_size(strlen(str))
{
_str = new char;
_capacity = _size;
strcpy(_str, str);
} 这样就确定了是先初始化_size,再初始化_capacity。￥￥
（将声明和定义分离，必要将缺省参数放在声明处，同时函数名之前必要加上域作用限定符，表示这个函数在你实现的string类里面声明过。）
ii，析构函数
析构函数的作用是：清理资源。
由于比力简朴，这里直接给出实现：
//析构
string::~string()
{
if(_str)
delete[] _str;
_size = _capacity = 0;
_str = nullptr;
}（函数名之前必要加上域作用限定符，表示这个函数在你实现的string类里面声明过。）
iii，拷贝构造
拷贝构造，完成创建对象时的初始化。
一样平常环境下，我们会这样写：
//拷贝构造
string::string(const string& s)
{
char* tem = new char;//多开一个，存储'\0'
strcpy(tem, s._str);
delete[] _str;//销毁原空间
_str = tem;
_size = s._size;
_capacity = s._capacity;
}但是，着实有更简朴的写法：
void string::swap(string& s)
{
//调用模板swap交换内置类型，损失不大
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_capacity, s._capacity);
std::swap(_size, s._size);
}
//拷贝构造的现代写法
string::string(const string& s)
:_str(nullptr)
{
string tem(s._str);
swap(tem);
}仔细分析，我们着实在无形之中让构造函数给我们“打工”了：
string tem(s._str);就是用拷贝对象的字符串来构造一个tem对象，而这个tem对象就是我们必要的，所以我们实现一个swap函数，将*this与tem完全交换，同时tem在出作用域时也会主动析构，同样也达到了拷贝构造的目标。
iv，赋值重载
赋值重载：实现对象之间的赋值。
我们一样平常会这样实现：
//赋值重载
string& string::operator=(const char* s)
{
int len = strlen(s);
char* tem = new char;
strcpy(tem, s);
delete[] _str;
_str = tem;
_size = _capacity = len;
return *this;
} 但是，同样也有更简朴的写法：
void string::swap(string& s)
{
//调用模板swap交换内置类型，损失不大
std::swap(_str, s._str);
std::swap(_capacity, s._capacity);
std::swap(_size, s._size);
}
//赋值重载的现代写法
string& string::operator=(string tem)
{
//自动调用拷贝构造
swap(tem);
//出作用域自动完成析构
return *this;
}在无形之中，我们让拷贝构造为我们“打工”。
我们通过传值传参，拷贝构造一个临时对象tem，这个tem就是我们必要的，所以完全交换*this就得到了构造的对象，同时tem出作用域也会主动析构。
（2）迭代器
对于迭代器，本质上是一个指针，也可以是一个类（对指针的封装），在这里，我们不妨用指针来作为迭代器：
//声明：
typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;
iterator begin();
const_iterator begin() const;
iterator end();
const_iterator end() const; //定义
string::iterator string::begin()
{
return _str;
}
string::const_iterator string::begin() const
{
return _str;
}
string::iterator string::end()
{
return _str + _size;
}
string::const_iterator string::end() const
{
return _str + _size;
} const迭代器用于const对象调用；平凡迭代器用于平凡迭代器调用。
平凡迭代器可读可写，const迭代器只可读不可写。
（3）容量和长度
i.reserve()
改变string的容量，若要求值n大于现在的容量，则容量扩大到n；若要求值小于便是现有容量，则改变容量。
reserve对于size没有影响，不会改变string的内容。
实现如下：
//保留指定容量,容量只增不减
void string::reserve(int n)
{
//要求保留的大于现有容量,需要扩容
if (n > _capacity)
{
char* tem = new char;
// 申请新空间完毕,转移数据
strcpy(tem, _str);
delete[] _str;
_str = tem;
_capacity = n;
//reserve不改变size
}
}ii,resize()
//resize()不改变capacity，可能改变size
void string::resize(int size,int ch)
//size为设定值，_size为现有值
{
if (size < _size)
{
_size = size;
_str = '\0';
}
else if (size > _size)
{
if (size > _capacity)
{
reserve(size);
}
int i = _size;
while (i != size)
{
_str = '\0';
}
_size = size;
_str = '\0';
}
}
如果设定值小于现有值，减小_size，相当于截断_str；
如果设定值便是现有值，不做处理；
如果设定值大于现有值，有三种环境：
size <_capacity: 不扩容，并在[ _size,size)之间补0；
size == _capacity: 不扩容，并在[ _size,size)之间补0；
size > _capzcity: 扩容，并在[ _size,size)之间补0；
（4）元素访问
i,operator[]
下标的随机访问：
//声明
char& operator[](size_t pos);
const char& operator[](size_t pos) const;//定义
char& string::operator[](size_t pos)
{
assert(pos >= 0 && pos < _size);
return _str;
}
const char& string::operator[](size_t pos) const
{
assert(pos >= 0 && pos < _size);
return _str;
}对于at，front，back可以复用operator[]来实现。
（5）修改方式
i,push_back()
实现尾插字符，实现如下：
//尾插字符,由于是一个一个插入，扩容不能太频繁，所以采用二倍扩容
string& string::push_back(const char ch)
{
if (_size == _capacity)
//不一定需要扩容，若长度等于容量，再次插入需要扩容
{
int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
reserve(Newcapacity);
}
//扩容完毕，尾插字符
_str = ch;
_str = '\0';
return *this;
} 这里使用了一个扩容本领，就是二倍扩容。
ii，append()
追加，这里简化为追加一段字符串。
//尾插字符串，直接reserve到指定长度字符串
string& string::append(const char* str)
{
int len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len + _size);//不改变size
}
//扩容完毕
strcpy(_str + _size, str);
_size += len;
return *this;
} 起首要先保存原来的len，这样如果必要扩容，在扩容完毕之后，只需更新_size为原_size+=len即可。
否则，如果不保存len，在必要扩容的环境下，就会出现问题了：
##
（）
##
iii，operator+=复用上两函数即可
尾插一个字符
string& string::operator+=(char ch)
{
push_back(ch);
return *this;
}
尾插一个字符串
string& string::operator+=(const char* str)
{
append(str);
return *this;
}iv，insert()
在恣意位置插入一个字符
//插入一个字符
//用push_back逻辑来扩容
string& string::insert(size_t pos, const char ch)
{
assert(pos >= 0 && pos <= _size);
if (_size == _capacity)
{
int Newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity;
reserve(Newcapacity);//不改变size
}
int end = _size+1;
//细节问题，int与size_t参与比较，
//int隐式类型转化为size_t
//size_t(-1)会变成很大的整数
while(end>pos)
{
_str = _str;
--end;
}
_str = ch;
_size += 1;
return *this;
} 在恣意位置插入一个字符串//插入一个字符串
//用reserve逻辑扩容
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
assert(pos >= 0 && pos <= _size);
int len = strlen(str);
if (len + _size > _capacity)
{
reserve(len+_size);
}
int end = _size + len;
while (end>pos+len-1)
{
_str = _str;
--end;
}
memmove(_str + pos, str, len);
_size += len;
return *this;
}v,erase()
在恣意位置处删除长度为len的字符串：
string& string::erase(size_t pos, size_t len)
//两种情况；删除部分string，pos之后全删
{
assert(pos >= 0 && pos <= _size);
if ((len == npos) ||(pos + len >= _size))//全删的情况
{
_str = '\0';
_size = pos;
}
else
//删除部分string
{
int end = pos + len;
while (_str!='\0')
{
_str = _str;
++end;
}
_str = '\0';
}
return *this;
}
（6）串操作
i,find()
找字符
size_t string::find(const char ch, size_t pos)
{
for (size_t i = pos; i < _size; ++i)
{
if (_str == ch)
{
return i;
}
}
return npos;
} 找字符串
用到了strstr（）：字符串匹配函数。
size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
char* ret = strstr(_str, str);
return (size_t)(ret - _str);
}ii,c_str()
返回C范例的字符串：
const char* string::c_str() const
{
return _str;
}iii，substr()
得到字符串的子串：
string string::substr(size_t pos, size_t len)
{
assert(pos >= 0 && pos <= _size);
if ((len == npos) || (pos + len >= _size))
{
string sub(_str + pos);
return sub;
}
else
{
string sub;
sub.reserve(len);
for (size_t i = 0; i < len; ++i)
{
sub._str = _str;
}
sub._str = '\0';
sub._size =sub._capacity =len;
return sub;
}
}
（7）成员常量
//特例，const静态整形对象可声明定义和一,但是可能造成链接时的错误
const static size_t npos = -1; 无符号整数size_t(-1)是一个很大的整数。
（8）流插入和流提取
i,operator<<()
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
for (size_t i = 0; i < s._size; ++i)
{
cout << s._str;
}
cout << endl;
return out;
}ii,operator>>()
cin的get（）函数可以提取空白字符和‘\n’，这也是循环逻辑竣事的条件。
//流提取改进，用buf临时数组，防止string频繁扩容
istream& operator>>(istream& in,string& s)
{
s.clear();
char buff = { 0 };
char ch = in.get();
int i = 0;
while(ch != ' ' && ch != '\n')
{
buff = ch;
ch = in.get();
if (i == 127)
{
buff = '\0';
s += buff;
i = 0;
}
}
buff = '\0';
if (i != 0)
{
s += buff;
}
return in;
} 整体使用了用临时栈区数组的方式来淘汰扩容次数，进步效率。
完~
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