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标题: string的底层实现 [打印本页]

作者: 守听 时间: 2022-8-23 14:42
标题: string的底层实现
String底层实现

string在C++也是一个重要的知识，但是想要用好它，就要知道它的底层是如何写的，才能更好的用好这个string，那么这次就来实现string的底层，但是string的接口功能是非常多的，我们无法一一来实现它，这次实现的主要是它常用的接口，和重要的接口这次实现的功能有：string的构造函数，拷贝构造函数，析构函数，迭代器（分为const与非const两个版本），reserve，push_back,append,+=（分为+=字符与字符串），clear，swap，流插入，流输出，c_str，size，capacity，empty，resize，[]的重载（非为const与非const两个版本），=,==,!=的重载，find（分为查找字符与字符串两个版本）insert（分为插入字符与插入字符串的两个版本），erase。（至于实现了多少个，这里就不数了，挺多的了...
首先做好准备工作: 因为要单独实现string的底层，所以为了避免与库内的string冲突，所以我们把它封装在一个单独命名空间中，其次它的四个私有成员：_str(存储字符串），_capacity(记录容量大小),_size（记录有效字符),npos（在某些函数需要用到它)

一：构造函数

1它的有效个数与大小就是它的长度，用strlen计算即可。
2开一个空间（这里+1为了给\0预留位置开空间时都必须给\0多开一个)
3在把字符串拷贝到开好的空间内

1 string(const char* str = "")
2 :_size(strlen(str))
3 , _capacity(_size)
4 {
5 _str = new char[_capacity + 1];//+1是为了给 '\0' 留位置 string开空间都必须多一个位置
6 strcpy(_str, str);
7 }

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二：拷贝构造

拷贝构造分为：传统写法与现代写法
传统写法：该构造就构造，该拷贝就拷贝
1它的有效个数与大小就是它的长度，用strlen计算即可。
2开一个空间（给\0多开一个空间）
3讲字符串拷贝到该空间内
4把该空间赋值给_str
5把它的size与capacity与s同步

1 string(const string& s)
2 :_size(strlen(s._str))
3 ,_capacity(_size)
4 {
5 char* tmp = new char[_capacity + 1];
6 strcpy(tmp, s._str);
7 _str = tmp;
8 _size = s._size;
9 _capacity = s._capacity;
10 }

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现代写法：利用tmp拷贝，再让他们交换
1因为拷贝构造是拷贝给一个不存在的，所以要先把他们初始化，才能让他们交换
2利用tmp构造一个需要拷贝的字符串
3再让_str与tmp交换

string(const string& s)
:_str(nullptr)
,_size(0)
,_capacity(0)
{
string tmp(s._str);
swap(tmp);
}

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（这里更推荐现代写法）

三：析构函数

1当str不为空
2释放，并且置空，再把它的有效字符与大小置0

1 ~string()
2 {
3 if (_str)
4 {
5 delete[] _str;
6 _str = nullptr;
7 _size = _capacity = 0;
8 }
9 }

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四：赋值重载

分为传统写法与现代写法①和②
传统写法
1当不是自己给自己赋值时
2开一个空间
3把字符串拷贝进该空间
4释放掉_str的空间
5把tmp空间赋值给_str
6再把_str与赋值的字符串的有效字符与大小相同
7返回

1 string& operator=(const string &s)
2 {
3 if (this != &s)
4 {
5 char* tmp = new char[s._capacity + 1];
6 strcpy(tmp, s._str);
7 delete[] _str;
8 _str = tmp;
9 _size = s._size;
10 _capacity = s._capacity;
11 }
12 return *this;
13 }

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现代写法①

1利用tmp构造一个字符串
2让_str与tmp交换
3返回

1 string& operator=(const string &s)
2 {
3 string tmp(s._str);
4 swap(tmp);
5 return *this;
6 }

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现代写法②

1这里有些特殊，因为需要直接交换而不改变s的数据，就不用引用，而是用传值返回
2把_str与字符串交换
3返回

1 string& operator=(string s)
2 {
3 swap(s);
4 return *this;
5 }

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五：swap

因为要完成三个私有成员的交换操作，所以swap里直接交换三个私有成员
这里要借助库里的，但编译器在命名空间内会默认使用该命名空间下的swap，所以我们需要加上std，使用库里的swap

1 void swap(string& s)
2 {
3 std::swap(_str, s._str);
4 std::swap(_size, s._size);
5 std::swap(_capacity, s._capacity);
6 }

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六：c_str

因为还没实现流插入，所以展示可以用这个函数打印
因为此函数只是打印，而不需要改变字符串，所以要加上const，防止意外改变

1 const char* c_str()const
2 {
3 return _str;
4 }

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七:reserve

这个函数是专门用来扩容的。
1当需要的值大于空间时，就需要扩容
2创建一个空间（为\0多开一个空间）
3把_str拷贝到新空间
4再把_str的空间释放
5把新空间赋值给_str
6把新大小capacity改成扩容的大小

1 void reserve(size_t n)
2 {
3 if (n > _capacity)
4 {
5 char* tmp = new char[n + 1];
6 strcpy(tmp, _str);
7 delete[] _str;
8 _str = tmp;
9 _capacity = n;
10 }
11 }

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八：push_back

此函数是用来尾插一个字符的
1先判断空间是否满了
2利用reserve开空间 (这里有特殊情况：有时候我们开的空间是0 那么再继续以2倍扩，是无法扩容的（0*n=0) 所以当capacity为0时扩容4 如果不为0 二倍扩容
3扩容完后或者不需要扩容时在有效字符的地方添加要添加的字符
4再让有效字符往后移
5再添加\0 不然打印时没有\0 无法停止

1 void push_back(char c)
2 {
3 if (_size == _capacity)
4 {
5 reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
6 }
7 _str[_size] = c;
8 ++_size;
9 _str[_size] = '\0';
10 }

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九:+=重载

在实际使用中，+=的功能与push_back相同，并且+=更加方便，那么需要提供+=的功能
1因为实际功能是相同的，这里可以直接复用push_back即可
2因为需要支持连续的+=所以需要返回

1 string& operator+=(char c)
2 {
3 push_back(c);
4 return *this;
5 }

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十：append

此函数用来添加字符串
1计算有效字符与要添加字符串的长度
2若有效字符与要添加字符串的长度大于实际空间
3那么就需要扩容，扩容字符串长度+有效字符长度即可
4把字符串拷贝到有效字符的后面开始
6有效字符也修改为有效字符与要添加字符串的长度

1 void append(const char* str)
2 {
3 int len = _size+strlen(str);
4 if (len > _capacity)
5 {
6 reserve(len);
7 }
8 strcpy(_str+_size, str);
9 _size = len;
10 }

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十一:+=的重载

+=的添加字符串也比append用的次数多，所以也需要提供
这里实际功能都相同，所以直接复用即可
1因为要支持连续的+=，所以需要返回

1 string& operator+=(const char* str)
2 {
3 append(str);
4 return *this;
5 }

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十二：clear

用来清除数据
清除数据，但没有缩容空间，只是把空间内的数据清除，这点需要注意
1在第一个位置添加\0 那么打印时遇到\0 就会停止，后面的数据就无法打印
2有效个数修改为0

1 void clear()
2 {
3 _str[0] = '\0';
4 _size = 0;
5 }

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十三:提供查询size

此函数提供了私有成员size的大小
因为不需要修改，所以要加const

1 size_t size()const
2 {
3 return _size;
4 }

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十四：提供查询capacity

此函数提供了私有成员capacity的大小
因为不需要修改，所以要加const

1 size_t capacity()const
2 {
3 return _capacity;
4 }

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十五：empty

提供了判空的功能
1当_str为空串时返回true
2当_str不为空串时返回false

1 bool empty()const
2 {
3 if (_str == "")
4 {
5 return true;
6 }
7 else
8 {
9 return false;
10 }
11 }

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十六:resize

功能：扩容，并且初始化
当要扩容的大小，小于实际的大小，那么是需要把实际大小-要扩容大小不用的空间清除数据即可
1当当要扩容的大小，小于实际的大小
2size改为要扩容的大小
3在有效字符的大小添加\0
4当要扩容的大小大于实际大小
5扩容n的大小
6从实际有效字符开始，直到实际空间大小结束
7全部修改为c （若不传参时，默认为\0)
8实际有效字符改为n
9在有效字符修改为\0

1 void resize(size_t n, char c = '\0')
2 {
3 //当n小于size时
4 if (n < _size)
5 {
6 _size = n;
7 _str[_size] = '\0';
8 }
9 else//当n大于size时
10 {
11 if (n > _capacity)
12 {
13 reserve(n);
14 }
15
16 for (size_t i = _size; i < n; i++)
17 {
18 _str[i] = c;
19 }
20 _size = n;
21 _str[_size] = '\0';//添加字符都要手动在后面加上\0
22 }
23 }

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十七:[]重载

此函数分为非const版本与const版本
非const版本

1需要访问的大小不能超过有效字符需要断言下
2返回_str对应下标的值

1 char& operator[](size_t index)
2 {
3 assert(index < _size);
4
5 return _str[index];
6 }

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const版本

有些地方访问下标不需要修改，所以需要提供const版本

1 const char& operator[](size_t index) const
2 {
3 assert(index < _size);
4
5 return _str[index];
6 }

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十八：=,==,!=的重载

这里使用strcmp（）函数若_str=(const string& s)17 {18 return _str>s._str|| strcmp(_str, s._str) == 0;19 }20 21 bool operator==(const string& s)22 {23 return strcmp(_str, s._str) == 0;24 }25 26 bool operator!=(const string& s)27 {28 return !(_str == s._str);29 }[/code]
十九:find

功能:返回c在string中第一次出现的位置
1从pos位置开始查看，若查找到字符c 返回，若循环结束，则代表没找到，返回npos（代表-1)

1 bool operator<(const string& s)
2 {
3 return strcmp(_str, s._str) < 0;
4 }
5
6 bool operator<=(const string& s)
7 {
8 return _str < s._str || strcmp(_str, s._str) == 0;
9 }
10
11 bool operator>(const string& s)
12 {
13 return strcmp(_str, s._str) > 0;
14 }
15
16 bool operator>=(const string& s)
17 {
18 return _str>s._str|| strcmp(_str, s._str) == 0;
19 }
20
21 bool operator==(const string& s)
22 {
23 return strcmp(_str, s._str) == 0;
24 }
25
26 bool operator!=(const string& s)
27 {
28 return !(_str == s._str);
29 }

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二十四:迭代器

分为非const版本与const版本
非const版本

将char* 重命名为 iterator
迭代器为 begin end
begin返回头
直接返回_str即可
end返回尾
返回头加上有效字符即可

1 size_t find(char c, size_t pos = 0) const
2 {
3 assert(pos <= _size);
4 for (; pos <= _size; pos++)
5 {
6 if (_str[pos] == c)
7 {
8 return pos;
9 }
10 }
11 return npos;
12 }

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const版本

讲char* 重命名为 const_iterator
只需要加上const即可

1 size_t find(const char* s, size_t pos = 0)
2 {
3 const char* p = strstr(_str + pos, s);
4 if (p == nullptr)
5 {
6 return npos;
7 }
8 else
9 {
10 return p - _str;
11 }
12 }

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二十五：流插入、流提取

流提取
因为需要匹配，所以需要在类外实现
1因为要支持连续提取所以要用ostream&作为返回类型
2使用返回for 以此打印即可
3返回
[code]1 ostream& operator

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