【C++】STL学习之string的使用

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文章目录

  • 前言
  • 一、basic_string
  • 二、编码理解
  • 三、构造函数相关
    • 3.1 无参(默认)构造函数
    • 3.2 带参构造函数
  • 四、容量操作相关
    • 4.1 获取数据
    • 4.2 扩容空间
    • 4.3 调整长度
  • 五、遍历字符相关
    • 5.1 下标访问
    • 5.2 迭代器
  • 六、字符修改相关
    • 6.1 尾插字符/字符串
    • 6.2 任意位置插入字符/字符串
    • 6.3 删除字符/字符串位置
    • 6.4 查找字符/字符串位置
    • 6.5 截取字符串
  • 七、非成员函数
    • 7.1 流操作
    • 7.2 获取字符串
    • 7.3 比较函数

前言

STL 是 C++ 的重要组成部分，由六大部分构成：伪函数、空间配置器、算法、容器、迭代器 和 配接器，其中各种各样的 容器 可以很好的辅助我们写程序，比如今天要介绍的 string，有了它之后，我们对字符串的操作就能变得行云流水

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注意： string 诞生于 STL 之前，因此存在部分接口冗余的情况

一、basic_string

string 是 basic_string模板 的一份实例，因为字符串多种多样，所以 string 也有各种各样的版本

  • string 常规字符串类，即每个字符占位 1byte

  • wstring 宽字符串类，用来处理较长字符串，Winows下占位 2byte，而 Linux下占位 4byte

  • u16string 匹配 UTF-16 编码标准，指定字符占位 2byte（C++11）

  • u32string 匹配 UTF-32 编码标准，规定字符占位 4byte（C++11）

世界上有各种各样的语言，其字符长度大多不一样，因此需要使用不同的 string 来匹配输出自己国家的字符

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二、编码理解

我们这里介绍的是 string 类，它匹配 UTF-8 标准，而此标准又兼容了 ASCII 码，因此比较常用

ASCII 是美国信息标准交换代码，仅仅通过 1byte 就能满足其字符需求

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UTF-8 的特点是能根据不同范围的字符匹配使用不同的标准，因为ASCII 都是 0xxxxxxx 的形式，当识别到其他字符时，会匹配使用对应标准，比如当识别到汉字时，会使用 GBK 编码标准来进行输出(Windows)

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后续随着万国码 Unicode 的诞生，提出了能适用更多语言的编码标准，即 UTF-16 和 UTF-32 ，而 basic_string 中的 u16string 和 u32string 这两个类就是用来匹配编码标准的

注： 这两个类是在 C++11 标准中制定的

我们的 string 其实就是 basic_string <char> 的别名

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三、构造函数相关

现在正式进入 string 类的学习，先从默认成员函数—构造函数入手

注意： string 包含于 iostream 头文件中，并且还需要展开 std 命名空间

3.1 无参(默认)构造函数

#include<iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s;   //此时调用的是无参构造函数
	return 0;
}

调用无参构造函数时，默认将对象初始化为空串，即只包含 '\0' 的字符串

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3.2 带参构造函数

我们也可以指定 string 对象中的内容

int main()
{
	string s("Hello String!");  //指定内容
	//string s = "Hello String!";  //这种写法也是完全可以的
	return 0;
}

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string 也支持将对象构造为 n 个字符 c

int main()
{
	string s(10, 'w'); //构造10个字符w
	return 0;
}

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最后再来看看 string 类的 拷贝构造 函数

int main()
{
	string s1("Hello"); 
	
	string s2(s1);  //将 s1 的内容构造给 s2
	//string s2 = s1;  //这种写法也是可以的

	return 0;
}

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四、容量操作相关

我们可以把 string 类看作一个专门用来处理字符的顺序表，因为它有字符指针、容量、长度等信息，我们也可以进行手动扩容等操作

4.1 获取数据

获取 string 对象中指向字符串的指针 _str

C++兼容C，在某些场景下需要使用指向字符串的指针，因此 string 类中提供了这个接口

int main()
{
	string s("Hello");
	cout << s.c_str() << endl;
	return 0;
}

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此时直接打印内容的原因是当指针指向对象为常量字符串时，编译器会直接打印内容
我们可以通过强转来观察函数 c_str()

cout << (void*)s.c_str() << endl;  //此时指针非常量字符指针

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通过函数 capapcity() 和 size() 获取当前对象的容量和大小

int main()
{
	string s(200, 'H');  //直接构造200个字符H
	cout << "The string capacity is " << s.capacity() << endl;
	cout << "The string size is " << s.size() << endl;

	//cout << "The string size is " << s.length() << endl;
	return 0;
}

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length() 函数能起到和 size() 函数完全一样的效果， 那为什么会有两个函数呢？

  • string 诞生于 STL 之前，当时的设计的获取大小函数为 length()

  • 后来当 string 并入 STL 后，委员会为了统一化，就在 string 类中添加了一个 size() 函数，因为其他容器中获取大小的函数都是 size()

  • 为了确保向前兼容性，不能直接删除 length()，这里推荐使用 size()

4.2 扩容空间

new 出来的空间不支持像 realloc 一样直接扩容，而是需要通过函数扩容

  • realloc 大多数情况下都是异地扩容，即 开辟-拷贝-销毁-更改指向
  • 而 reserve() 函数实现的就是异地扩容
int main()
{
	string s(10, 'H');  //初始化大小为10
	cout << "The default capacity " << s.capacity() << endl;

	s.reserve(300);     //扩容为300
	cout << "The expansion capacity " << s.capacity() << endl;
	return 0;
}

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VS 中的容量都会稍微多一点

假若我们不手动扩容，string 也会像顺序表一样，识别到容量不够时，自动扩容

VS中 string 的扩容策略

  • 默认给一个大小为 15 的数组存储数据，当数组够用时，都是用的数组
  • 当数组容量不够时，改用指针，先 2倍 扩容至 30，后续字符都是存在指针中
  • 之后的扩容操作，都是以 1.5倍 进行扩容
  • 会多开辟一些空间

Linux中 string 的扩容策略

  • 默认大小为 0 的空间
  • 当第一次扩容时，会先扩至 1
  • 扩容时每次都是 2倍 扩容法，比较清晰
  • 不会多开空间
int main()
{
	string s;
	int capacity = s.capacity();

	cout << "The default capacity " << capacity << endl;
	int n = 0;
	while (n <= 100)
	{
		//尾插字符
		s += 'a';
		if (capacity != s.capacity())
		{
			capacity = s.capacity();
			cout << "The new capacity " << capacity << endl;
		}

		n++;
	}

	return 0;
}

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至于 Windows 中为何如此复杂？首先是 STL 版本不同，其次string 在实际使用中，都用不了太大的空间，因此 VS 就直接索性给了一个默认大小为 15 的数组，后续有需要再进行扩容

频繁扩容会导致内存碎片问题，VS在这里的处理方法是比较合理的

小技巧： 在使用 string 时，可以先提前计算好需要的空间，然后通过 reserve 直接提前扩好，避免因自动扩容而导致的内存碎片问题

4.3 调整长度

除了可以扩容外，我们还可以改变 size

int main()
{
	string s(50, 'w');  //当前的 size 为50
	cout << "The default size " << s.size() << endl;
	cout << "The default capacity " << s.capacity() << endl;

	cout << endl;

	s.resize(30);   //改变 size 为30
	//s.resize(100, 'Z');  //还可以这样写，更改后50块空间为Z
	cout << "The new size " << s.size() << endl;
	cout << "The new capacity " << s.capacity() << endl;

	return 0;
}

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resize() 有两种情况：

  1. 调整后空间比原空间大，此时相当于扩容 reserve()，不过 resize() 还有一个初始化的功能，即将参数2设为指定字符，如果没有指定就默认为 \0
  2. 调整后空间比原空间小，此时将 _size 调整至目标空间，而 _capapcity 不变，此时我们也无法访问到 _size 之外的数据

resize() 并不会缩容，因为缩容的代价比较大，需要先开辟新空间，然后拷贝，释放原空间，才能完成缩容，因此 resize() 在处理时，若新空间比原空间小，是不会改变 _capaciy 的

五、遍历字符相关

字符串当然少不了遍历操作，主要有三种遍历方式：下标、at()、迭代器，因为 下标 和 at() 区别不大，所以可以一起介绍，而 迭代器 是一个很重要的东西，后续容器学习中都会出现它的影子

5.1 下标访问

首先来看看 下标访问，实现原理很简单：运算符重载 operator[]

int main()
{
	string s("chatGPT");

	size_t pos = 0;  //下标
	while (pos < s.size())
	{
        //直接像数组一样通过下标访问字符
		cout << "The " << pos + 1 << " char is " << s[pos] << endl;
		pos++;
	}

	return 0;
}

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当我们出现越界行为时，下标访问是直接通过 assert 报错的

下面再来看看 at()

cout << "The " << pos + 1 << " char is " << s.at(pos) << endl;

运行结果与 operator[] 一致，其实这两种方法的实现原理都一样，不过处理问题的方法不一样

当出现越界访问，at() 是抛出异常，而非直接断言报错

总的来说，at() 用的比较少，我们一般都是使用 operator[] 来进行下标的随机访问

5.2 迭代器

下面来看看迭代器 iterator 遍历字符串

int main()
{
	string s("chatGPT");

	//创建迭代器
	string::iterator it = s.begin();  //此时的 it 相当于指向第一个字符的指针
	//auto it = s.begin();   //可以利用 auto 自动识别类型
	while (it != s.end())  
	{
		cout << *it;
		it++;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

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注： begin() 获取第一个字符，end() 获取最后一个字符的下一个字符，即 '\0'

除了可以正向遍历外，我们还可以通过反向迭代器 reverse_iterator 进行反向遍历

int main()
{
	string s("chatGPT");

	//创建反向迭代器
	string::reverse_iterator rit = s.rbegin();  //此时的 rit 相当于指向最后一个字符的指针
	//auto it = s.rbegin();   
	while (rit != s.rend())
	{
		cout << *rit;
		rit++;
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

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注： rbegin() 获取最后一个字符，rend() 获取第一个字符的前一个字符

迭代遍历区间都是左闭右开

除了上面两种普通迭代器外，还有两个 const 修饰的迭代器，用来遍历常量字符串

  • const_iterator 正向遍历常量字符串
  • const_reverse_iterator 反向遍历常量字符串

注意：

  • 迭代器名 const_iterator 中的 const 并非是 const 操作符，而是与普通迭代器构成重载
  • 迭代器不太适合遍历顺序表，适合用来遍历链表
  • 所谓的 范围for 其实就是在调用迭代器进行遍历

六、字符修改相关

现在来谈谈字符修改相关接口

6.1 尾插字符/字符串

尾插字符/字符串有三种方式：

  • push_back() 尾插字符
  • append() 尾插字符/字符串
  • operator+= 尾插字符/字符串

先来看看 push_back()

int main()
{
	string s = "Hello ";

	//尾插字符
	s.push_back('X');

	cout << s << endl;
	return 0;
}

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push_back() 就像是顺序表的尾插，一次只能插入一个字符

再来看看 append()

int main()
{
	string s = "Hello ";

    //尾插字符
	s.append(3, 'X');    //需要指定待插入的字符数
	s.append(" YYYY");   //或者直接插入字符，都是可以的

	cout << s << endl;
	return 0;
}

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append() 还有很多其他用法，感兴趣的可以去查看官方文档

最后再来看看 operator+= ，这个是使用频率最高的，因为比较方便

int main()
{
	string s = "Hello ";

	//尾插字符
	s += 'C';
	s += "SDN";

	cout << s << endl;
	return 0;
}

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在日常使用中，对于字符串尾插这件事，我们通常都是使用 operator+=

6.2 任意位置插入字符/字符串

string 支持在任意位置插入字符/字符串

int main()
{
	string s("cccccc");
	cout << "Begin insert:" << s << endl;

	s.insert(2, 1, 'A');   //在第 n 个位置插入 m 个字符 c
	s.insert(4, "BBBB");   //在第 n 个位置插入字符串

	cout << "After insert:" << s << endl;

	return 0;
}

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insert() 的用法同样还有很多，可以自行查看官方文档

6.3 删除字符/字符串位置

有任意位置插入，当然就有任意位置删除 erase()

int main()
{
	string s("ABCDEFG");
	cout << "Begin erase:" << s << endl;

    //任意位置删除
	s.erase(3, 1);    //从pos开始， 删除第1个字符
	cout << "After erase 1 char:" << s << endl;

	s.erase(2, 4);    //从pos2开始， 删除4个字符
	cout << "After erase 4 char:" << s << endl;

	s.erase();   //默认全删
	cout << "After erase all:" << s << endl;

	return 0;
}

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注意： erase() 是一个全缺省参数，参数1为 0 ，表示默认从 pos0 开始，参数2为 npos，这是无符号整型中的 -1 ，为无符号整型最大值，意思就是如果不写参数2，默认就全删完了

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来看看 npos

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它的值是 4294967295，没有字符串长达 42亿 多，因此可以用来当作默认长度值

6.4 查找字符/字符串位置

它的值是 4294967295，没有字符串长达 42亿 多，因此可以用来当作默认长度值

int main()
{
	string s("My name is Sheep");

    //查找，返回的是目标字符/字符串第一次出现的下标
	cout << "Find 1 char pos: " << s.find('n') << endl; //找字符，默认从pos0开始
	cout << "Find str pos: " << s.find("Sheep", 5) << endl; //找字符串，从pos5开始
	cout << "Find not exist str pos: " << s.find("cow", 10) << endl; //假设没找到

	return 0;
}

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可以看到，当目标不存在时，返回的就是 npos

find() 还有几种形式：

  • rfind() 从后往前找

  • find_first_of(str, pos = 0) 从pos位置往后，找 str 中出现的任意字符

  • find_last_of(str, pos = npos) 从 npos 位置往前，找 str 中出现的任意字符

  • find_first_not_of() 反向查找

  • find_last_not_of() 反向查找

string 类的接口雀氏很多

6.5 截取字符串

int main()
{
	string s("My name is Sheep");

    //利用find 和 substr 切割出 Sheep
	cout << "The target is " << s.substr(s.find('S'), 5) << endl;
	return 0;
}

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其实 substr() 通常用来截取网址中的域名

七、非成员函数

string类中还有很多定义在类外的非成员函数

7.1 流操作

我们可以直接对 string 对象使用流插入 operator<< 和流提取 operator>>

int main()
{
	string s;
	cin >> s;
	cout << s;
	return 0;
}

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7.2 获取字符串

单纯的流插入是无法满足字符串插入需要的，因为字符串中往往都会包含 ' '，而 cin 会认为这是结束标志，进而不再读取字符，因此有专门的函数获取字符串 getline()

#include<string>

int main()
{
	string s;
	getline(cin, s);	//需要包含头文件 string
	cout << s;
	return 0;
}

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注意： 需要包含头文件 string

7.3 比较函数

string 类中存在一系列的大小比较函数（18个），光是判断相等就有3个，其实没必要设计这么多函数，这可能也是 string 饱受别人吐槽的原因之一

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原文出处：《STL中的string类怎么啦？》

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