C++基础知识5 string - 北京网站建设

string

1. string类
- 1.1 C语言中的字符串
2. 标准库中的string类
- 2.1 string类(了解)
- 2.2 auto和范围for
- 2.3 string类的常用接口说明
3. string类对象的访问及遍历操作
4. string类对象的修改操作
5. string类非成员函数
6. vs和g++下string结构的说明
7. string类的模拟实现
8.写时拷贝(了解)

1. string类

1.1 C语言中的字符串

C语言中，字符串是以’\0’结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列
的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户
自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

2. 标准库中的string类

2.1 string类(了解)

string类的文档介绍
在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

2.2 auto和范围for

auto关键字
在这里补充2个C++11的小语法，方便我们后面的学习。

C++11中，标准委员会赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

通过typeid(对象).name()可以输出auto的实际类型

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用

auto不能直接用来声明数组

auto的用武之地
在这里插入图片描述

树的迭代器类型为std::map<std::string, std::string>可以直接用auto，牺牲一定的可读性但是方便

范围for

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围
内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。
范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器，这个从汇编层也可以看到。

int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
// C++98的遍历
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
{array[i] *= 2;
}
for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
{cout << array[i] << endl;
}

for (auto& e : array)e *= 2;
for (auto e : array)cout << e << " " << endl;
string str("hello world");
for (auto ch : str)
{cout << ch << " ";
}
cout << endl;

2.3 string类的常用接口说明

string类对象的常见构造

在这里插入图片描述

string类对象的容量操作

void Teststring1()
{// 注意：string类对象支持直接用cin和cout进行输入和输出string s("hello, bit!!!");cout << s.size() << endl;cout << s.length() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;// 将s中的字符串清空，注意清空时只是将size清0，不改变底层空间(容量)的大小s.clear();cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 将s中有效字符个数增加到10个，多出位置用'a'进行填充// “aaaaaaaaaa”s.resize(10, 'a');cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 将s中有效字符个数增加到15个，多出位置用缺省值'\0'进行填充// "aaaaaaaaaa\0\0\0\0\0"// 注意此时s中有效字符个数已经增加到15个s.resize(15);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;// 将s中有效字符个数缩小到5个s.resize(5);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;cout << s << endl;
}

在这里插入图片描述

void Teststring2()
{string s;// 测试reserve是否会改变string中有效元素个数s.reserve(100);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;// 测试reserve参数小于string的底层空间大小时，是否会将空间缩小s.reserve(50);cout << s.size() << endl;cout << s.capacity() << endl;
}

在这里插入图片描述

当然不同平台下具体的实现不同，在Linux环境下能实现reserve的缩容但在VS下不能实现，同时这里的capacity为什么是111是因为VS的string底层用了两套存储方式，后面可以简单了解一下

通常情况下我们使用reserve是为了避免频繁扩容

void TestPushBack()
{string s;size_t sz = s.capacity();cout << "making s grow:\n";for (int i = 0; i < 100; ++i){s.push_back('c');if (sz != s.capacity()){sz = s.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << '\n';}}
}

观察string是如何扩容的

在这里插入图片描述

大概是1.5倍扩容，但是实际空间还需要多一个字符存储’\0’

注意：

size()与length()方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接
口保持一致，一般情况下基本都是用size()。(为了统一length这个虽然在字符串恰当，但在树中或图中就没那么适合了，只能说历史遗留)
clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不
同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char
c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数
增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。
reserve(size_t res_arg=0)：为string预留空间，不改变有效元素个数，当reserve的参
数小于string的底层空间总大小时，reserver不会改变容量大小。

具体还是要读文档！！！

3. string类对象的访问及遍历操作

在这里插入图片描述

string的遍历

begin()+end()

string::iterator it = s.begin();
while (it != s.end())
{cout << *it << endl;++it;
}

for+[]

for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i)cout << s[i] << endl;

范围for

for (auto ch : s)cout << ch << endl;

rbegin()+rend()

string::reverse_iterator reverse_it = s.rbegin();
while (reverse_it != s.rend())
{cout << *reverse_it << endl;++reverse_it;
}

4. string类对象的修改操作

在这里插入图片描述

void Teststring5()
{string str;str.push_back(' ');   // 在str后插入空格str.append("hello");  // 在str后追加一个字符"hello"str += 'w';           // 在str后追加一个字符'b'   str += "orld";          // 在str后追加一个字符串"it"cout << str << endl;cout << str.c_str() << endl;   // 以C语言的方式打印字符串// 获取file的后缀string file("string.cpp");size_t pos = file.rfind('.');string suffix(file.substr(pos, file.size() - pos));cout << suffix << endl;// npos是string里面的一个静态成员变量// static const size_t npos = -1;// 取出url中的域名string url("http://www.cplusplus.com/reference/string/string/find/");cout << url << endl;size_t start = url.find("://");if (start == string::npos){cout << "invalid url" << endl;return;}start += 3;size_t finish = url.find('/', start);string address = url.substr(start, finish - start);cout << address << endl;// 删除url的协议前缀pos = url.find("://");url.erase(0, pos + 3);cout << url << endl;
}

在这里插入图片描述

注意是size-下标所以不用+1

5. string类非成员函数

在这里插入图片描述

当然>>作用同scanf函数一样碰到空白字符就截断了，这时就要用getline函数

void Teststring6()
{string str;getline(cin, str);cout << str;
}

在这里插入图片描述

至于关系运算符就是比较字符的ASCII码，与strcmp类似。具体实现就是复用与日期类实现的东西的相同

6. 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。

vs下string的结构

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
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。

union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger onevalue_type _Buf[_BUF_SIZE];pointer _Ptr;char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

在这里插入图片描述

还是比我们定义的复杂很多，不过正因为这样才能处理很多情况吧

g++下string的结构
G++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节，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
指向堆空间的指针，用来存储字符串。

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。

类似柔性数组，大概是这样

7. string类的模拟实现

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#pragma once#include<iostream>
#include<string>
#include<assert.h>
using namespace std;
namespace Yusei
{class string{public:typedef char* iterator;typedef const 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;}string():_str(new char[1]{'\0'}),_size(0),_capacity(0){}string(const char* s){_capacity = _size = strlen(s);_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, s);}// 短小频繁调用的函数，可以直接定义到类里面，默认是inline// 深拷贝问题string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}// s2 = s1// s1 = s1string& operator=(const string& s){if (this != &s){delete[] _str;_str = new char[s._capacity + 1];strcpy(_str, s._str);_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;}const char* c_str() const{return _str;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}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];}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);private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;//static const size_t npos = -1;static const size_t npos;/*static const int N = 10;int buff[N];*/};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);ostream& operator<<(ostream& out, const string& s);istream& operator>>(istream& in, string& s);
}

代码实现

#include"string.h"namespace Yusei
{const size_t string::npos = -1;void string::reserve(size_t n){if (n > _capacity){//cout << "reserve:" << n << endl;char* tmp = new char[n + 1];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){// 大于2倍，需要多少开多少，小于2倍按2倍扩reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}strcpy(_str + _size, str);_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);}// 挪动数据size_t end = _size + 1;while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];--end;}_str[pos] = ch;++_size;}void string::insert(size_t pos, const char* s){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(s);if (_size + len > _capacity){// 大于2倍，需要多少开多少，小于2倍按2倍扩reserve(_size + len > 2 * _capacity ? _size + len : 2 * _capacity);}size_t end = _size + len;while (end > pos + len){_str[end] = _str[end - len];--end;}for (size_t i = 0; i < len; i++){_str[pos + i] = s[i];}_size += len;}void string::erase(size_t pos, size_t len){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){assert(pos < _size);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);if (ptr == nullptr){return npos;}else{return ptr - _str;}}string string::substr(size_t pos, size_t len){assert(pos < _size);// len大于剩余字符长度，更新一下lenif (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);}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;ch = in.get();while ( ch != '\n'){buff[i++] = ch;if (i == N - 1){buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}ch = in.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}
}

实现string最复杂的就是区间的问题，比如下标与下标之间，下标和元素个数之间的加减都是需要细细想想，不然可能少一个或者多一个，结果或多或少有点问题。今天写到删除操作时，一直在想这个范围的事，大概想明白了。这周我会专门更新这方面的理解（不是单独更新，会总结一下C语言的学习）。今天代码基本cv出来的，只能说拿来主义吧。其实有的时候我在思考有些问题的时候，不是面临挑战时的雄心勃勃而是在想我这些东西都要想这么久是不是这辈子完了，计算机科学算我很感兴趣的东西。但有的时候我在想我到底是喜欢还是说为了逃避什么，我也不知道未来会怎么样，当下只能苦苦挣扎了。感觉非常幽默尽管我出生在城市里，小学的时候就接触代码了，学的也是理工科但是只到大二下我才接触C语言，我才知道什么是代码。有的时候在想要是能早早接触一下也许一切都会不一样吧，也许我会去打信竞，也许我大学会去打ACM？参加一些比赛，但这一切不会再有了，我只是一个人独行罢了，刚上大学时我也曾对大学充满憧憬，结果现在却是一地碎片，学的东西多吗？很多很多，但是学的东西那么多却没人教C语言，到底是多还是无用呢，我也不知道了。当然也许只是我学校不行吧应该说自己不够优秀吧，如果将来不能入行吧。那就去流浪吧

8.写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。
引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该
资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源，
如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有
其他对象在使用该资源。

因为深拷贝是有一定性能的损耗的，浅拷贝的主要问题在于对于堆上的空间会delete两次这就导致程序崩溃了(而其他诸如指向同一块空间，改变一个导致另一个改变等等相较于程序崩溃都是较能接受的)，只要能保证空间只delete一次且这块空间只用于只读的情况就没有问题。当然这个好像逐渐被淘汰了因为C++11对这方面提出了更好的新特性