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【C++】——string类的模拟实现

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目录

一、string模拟实现

1.1构造析构

1.2迭代器

1.3修改

1.4查找

1.5substr 深浅拷贝的区别

1.6比较函数与流插入流提取

二、string类的拷贝

2.1浅拷贝与深拷贝

2.2传统版与现代版区别

2.3写时拷贝（了解）

三、vs和g++下string结构的说明

3.1vs下的string结构

3.2g++下的string结构

一、string模拟实现

想要模拟实现自己的string类，主要的是构造、拷贝构造、迭代器、修改、查找等功能。

实现一个简单的string 不考虑模板等一些复杂的优化结构

namespace xc
{
	class string
	{
	public:



	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

1.1构造析构

简单的构造函数：

class string
{
public:
	string()
		:_str(nullptr)
		,_size(0)
		,_capacity(0)
	{}
	string(const char*str)
	{
		_size = strlen(str);
		_capacity = _size;//定义的容量就是有效数据个数 new的话需要考虑 \0
		_str = new char[_capacity + 1];
		strcpy(_str, str);
	}

	const char* c_str()//暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印
	{
		return _str;
	}
private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

程序崩溃，无法打印，原因是 string的无参构造 _str 初始化为 nullptr，转换为字符串打印时候会解引用知道遇到\0终止 但是这里对空指针进行了解引用 所以程序崩溃

优化合并一下：

class string
{
public:
	/*string()
		:_str(new char[1]{""})
		,_size(0)
		,_capacity(0)
	{}*/
	string(const char*str="")
	{
		_size = strlen(str);
		_capacity = _size;//定义的容量就是有效数据个数 new的话需要考虑 \0
		_str = new char[_capacity + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	~string()
	{
		delete[]_str;
		_str = nullptr;
		_size = _capacity = 0;
	}
	const char* c_str()//暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印
	{
		return _str;
	}
private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
};

一些频繁调用的短小函数可以直接在类里面定义实现 默认为 内联inline

const char* c_str()const //暂时没有写流提取，流插入所以转换为 _str打印
{
	return _str;
}
size_t size()const
{
	return _size;
}
size_t capacity()const
{
	return _capacity;
}
char& operator[](size_t pos)
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos)const
{
	assert(pos < _size);
	return _str[pos];
}

1.2迭代器

实现基本的迭代器（正向迭代器和const正向迭代器）功能以支持 范围for，迭代器遍历

public:
	typedef char* iterator;
	typedef char* const_iterator;

	iterator begin()
	{
		return _str;
	}

	iterator end()
	{
		return _str + _size;
	}

	const_iterator begin()const
	{
		return _str;
	}

	const_iterator end()const
	{
		return _str + _size;
	}

1.3修改

声明定义分离的模式，可能涉及扩容可以先处理一个 reserve 函数

//.h
void reserve(size_t n);
void push_back(char ch);
void append(const char*str);
string& operator+=(char ch);
string& operator+=(const char*str);
//.cpp

void string::reserve(size_t n)
{
	if (n > _capacity)
	{
		char* tmp = new char[n + 1];
		strcpy(tmp, _str);//拷贝内容
		delete[]_str;
		_str = tmp;//交换指针
		_capacity = n;
	}

}
void string::push_back(char ch)
{
	if (_capacity == _size)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	_str[_size++] = ch;
}
string& string::operator+=(char ch)
{
	push_back(ch);
	return *this;
}

显然是因为没有\0终止符才出现了乱码

void string::push_back(char ch)
{
	if (_capacity == _size)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	_str[_size++] = ch;
	_str[_size] = '\0';
}

接下来实现字符串的插入

void string::append(const char* str)//加的字符串可能需要扩容 需要if判断
{
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		//大于2倍 就需要多少开多少 少于2倍就开2倍空间
		reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
	}
	strcpy(_str + _size, str); //第一个参数为\0地址
	_size += len;
}

string& string::operator+=(const char* str)
{
	append(str);
	return *this;
}

指定位置的插入删除 

	void insert(size_t pos, char ch);
	void insert(size_t pos, const char*str);
	void erase(size_t pos, size_t len=npos);

private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
	static const size_t npos;

增加了一个新成员变量 npos 该静态成员变量需要声明定义分离

void string::insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	if (_capacity == _size)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}

	移动数据 需要单独处理\0
	//for (int i = _size-1; i >=(int)pos; i--)
	//{
	//	_str[i+1] = _str[i];
	//}
	//_str[pos] = ch;
	//_str[++_size] = '\0';
	
	//直接将 \0 也视为字符 移动开来
	for (int i = _size; i >= pos; i--)
	{
		_str[i + 1] = _str[i];
	}
	_str[pos] = ch;
	++_size;
}

程序崩溃？

可以看到 i 小于0仍然进入循环，补充当 两个数据类型不同进行比较等操作时 范围小的会向范围大的进行整形提升 在这里 i 变为了无符号整数 解决办法 将 pos进行强制转换为 int 即可 

void string::insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size);
	if (_capacity == _size)
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
	}
	直接将 \0 也视为字符 移动开来
	//for (int i = _size; i >=(int)pos; i--)
	//{
	//	_str[i + 1] = _str[i];
	//}
	//_str[pos] = ch;
	//++_size;

	for (int i = _size + 1; i > pos; i--)
	{
		_str[i] = _str[i - 1];
	}
	_str[pos] = ch;
	++_size;
}
//可以对比插入一个字符的逻辑 只是 len值为1的特殊情况 画图理解 临界条件
void string::insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos <= _size);
	size_t len = strlen(str);
	if (_size + len > _capacity)
	{
		reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);
	}
	for (int i = _size + len; i > len+pos-1; i--)
	{
		_str[i] = _str[i - len];
	}

	for (int i = 0; i < len; i++)
	{
		_str[pos + i] = str[i];
	}
	_size += len;

}
void string::erase(size_t pos, size_t len)
{
	assert(pos < _size);//pos等于 _size 那么会删掉\0

	//判断 len大于剩余的所有 就直接修改 \0的位置
	if (len >= _size - pos)
	{
		_str[pos] = '\0';
		_size = pos;
	}
	else
	{
		for (int i = pos + len; i <= _size; i++)
		{
			_str[i - len] = _str[i];
		}
		_size -= len;
	}
}

Tip:插入多个数据可以类比插入一个数据的逻辑关系 特殊到一般的思想转换，最重要的是不能凭自己的感觉思考，认真画图分析

1.4查找

size_t string::find(char ch, size_t pos)
{
	for (int i = pos; i <_size; i++)
	{
		if (_str[i] == ch)
			return i;
	}
}
size_t string::find(const char* str, size_t pos)
{
	assert(pos < _size);
	const char* ptr=strstr(_str + pos, str);
	if (ptr == nullptr)
	{
		return npos;
	}
	else
		return ptr - _str;//指针相减得到下标
}

1.5substr 深浅拷贝的区别

string string::substr(size_t pos, size_t len)
{
	assert(pos < _size);
	//判断 len大于剩余元素 更新一下len
	if (len > _size - pos)
	{
		len = _size - pos;
	}
	string sub;
	sub.reserve(len);
	for (int i = 0; i < len; i++)
	{
		sub += _str[pos + i];
	}
	return sub;
}

如果编译器优化激烈一点或者  release版本将直接 修改 suffix 省去拷贝构造

因为没有显示实现拷贝构造，编译器的拷贝构造是浅拷贝

实现一下拷贝构造和赋值重载

//s2(s1)
string(const string& s)
{
	_str = new char[s._capacity + 1];
	strcpy(_str, s._str);
	_capacity = s._capacity;
	_size = s._size;
}

//s2=s1
//s1=s1
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		delete[]_str;
		_str = new char[s._capacity + 1];
		strcpy(_str, s._str);
		_capacity = s._capacity;
		_size = s._size;
	}
	return *this;
}

1.6比较函数与流插入流提取

比较逻辑

.h
......
private:
	char* _str;
	size_t _size;
	size_t _capacity;
	static const size_t npos;
};

//定义在类外
bool operator<(const string& s1, const string& s2);
bool operator<=(const string& s1, const string& s2);
bool operator>(const string& s1, const string& s2);
bool operator>=(const string& s1, const string& s2);
bool operator==(const string& s1, const string& s2);
bool operator!=(const string& s1, const string& s2);

.cpp
//利用 strcmp 函数比较
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);
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
	return !(s1 < s2);
}
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);
}

流插入与流提取

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
	for (auto ch : s)
	{
		out << ch;
	}
	return out;
}
istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	char ch;
	ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		s += ch;
		ch = in.get();
	}
}

Tip：如果是 in>>ch 的话有分隔符的概念 不能提取到空格

注意到 +=  存在扩容概念 难道一次一个 += 吗？ 优化一下

istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
	s.clear();
	const int N = 256;

	//创一个字符数组 以数组为整体单元进行+= 提高扩容效率
	char buff[N];
	int i = 0;
	char ch = in.get();
	while (ch != ' ' && ch != '\n')
	{
		buff[i++] = ch;
		if (i == N - 1)
		{
			buff[i] = '\0';
			s += buff;
			i = 0;
		}
	}
	//提前结束了 buff里面还有字符
	if (i > 0)
	{
		buff[i] = '\0';
		s += buff;
	}
}

二、string类的拷贝

2.1浅拷贝与深拷贝

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。

在这里即一个一个字节的拷贝，动态申请资源时候如果浅拷贝会指向同一块资源，会有着程序崩溃的问题

同一块空间析构了两次 程序崩溃

深拷贝即调用拷贝构造，编译器生成的拷贝构造是浅拷贝，需要我们自己显示实现拷贝构造来进行深拷贝

//s2(s1)
string(const string& s)
{
	_str = new char[s._capacity + 1];
	strcpy(_str, s._str);
	_capacity = s._capacity;
	_size = s._size;
}

//s2=s1
//s1=s1
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s)
	{
		delete[]_str;
		_str = new char[s._capacity + 1];
		strcpy(_str, s._str);
		_capacity = s._capacity;
		_size = s._size;
	}
	return *this;
}

2.2传统版与现代版区别

库里的string拷贝构造赋值重载如何实现的呢？ 可以直接交换成员变量 但是需要初始化成员变量

void swap(string& s)
{
	std::swap(_str, s._str);
	std::swap(_capacity, s._capacity);
	std::swap(_size, s._size);
}
string(const string& s)
{
	string tmp(s.c_str());
	swap(tmp);
}

......
private:
	char* _str=nullptr;
	size_t _size=0;
	size_t _capacity=0;
	static const size_t npos;
};//需要初始化一下 否则随机值交给tmp存在潜在风险

这里的巧妙点在于 tmp 出了作用域会自己调析构函数此时不需要手动析构s2 借用了编译器的作用规则，局部变量出了作用域自动销毁  这也是为什么需要初始化局部变量，因为销毁随机值存在风险

赋值重载：

	//s2=s1
	//s1=s1
/*	string& operator=(const string& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			delete[]_str;
			_str = new char[s._capacity + 1];
			strcpy(_str, s._str);
			_capacity = s._capacity;
			_size = s._size;
		}
		return *this;
	}*/

	string& operator=(const string& s)
	{
		if (this != &s)
		{
			string tmp(s.c_str());
			swap(tmp);
		}
		return *this;
	}

对比一下传统版的赋值重载， 可以看到现代版不需要手动 delete 了  利用编译器自动销毁了

可以看到与拷贝构造相比 tmp 并没有存在的必要性，并不需要保留 s1的数据 优化一下

/*string& operator=(const string &s)
{
	if (this != &s)
	{
		string tmp(s.c_str());
		swap(tmp);
	}
	return *this;
}*/

//最终版 s1=s3
string& operator=(string tmp)
{
	swap(tmp);
	return *this;
}

为什么算法库有swap 我们仍需要手动实现一个成员函数 swap呢？

算法库里的自定义类型会进行多次拷贝构造（深拷贝），效率低

事实上 库里面已经实例化了一个模板swap函数

所以最终还是会调用成员函数提高效率

2.3写时拷贝（了解）

析构两次的另外一种解决方法——写时拷贝（引用计数法）

引用计数代表有几个对象指向同一块资源

当计数为0时候才执行析构函数，如果要修改拷贝的对象，那么还是需要进行深拷贝！

不同编译器底层采取的方案是不同的

可以看到 gcc 采用了引用计数写时拷贝

三、vs和g++下string结构的说明

注意：下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节。

3.1vs下的string结构

string总共占28个字节，内部结构稍微复杂一点，先是有一个联合体，联合体用来定义

string中字符串的存储空间：

●  当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放

●  当字符串长度大于等于16时，从堆上开辟空间

union _Bxty

{ // storage for small buffer or pointer to larger one

 value_type _Buf[_BUF_SIZE];
 pointer _Ptr;
 char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing

} _Bx;

这种设计也是有一定道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那string对象创建
好之后，内部已经有了16个字符数组的固定空间，不需要通过堆创建，效率高。
其次：还有一个size_t字段保存字符串长度，一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的
容量
最后：还有一个指针做一些其他事情。
故总共占16+4+4+4=28个字节。

3.2g++下的string结构

G++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节（32位）/ 8字节（64位），内部只包含了一个指针，该指针将来指向一块堆空间，内部包含了如下字段：
● 空间总大小
● 字符串有效长度
● 引用计数

struct _Rep_base

{
 size_type               _M_length;
 size_type               _M_capacity;
 _Atomic_word            _M_refcount;
};


● 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

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