【C++】string底层的实现原理（简单详细）

前言

本篇文章我将按照C++文档库中的模块顺序来实现和讲解其实现原理，我们只讲各板块中常用的

一，Member functions（成员函数）

二、Iterators（迭代器）

三、Capacity（容器）

常见容器的实现
重点容器代码思想剖析

四、Element access（成员访问）

五、Modifiers（修改器）

常见修改器的实现
重点修改器代码思想剖析

六、String operations（字符串操作）
七、Non-member function overloads（非成员函数重载）
八、整合版

一、Member functions（成员函数）

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		//构造函数
		string(const char* str="")
			:_size(strlen(str))
		{
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		//拷贝构造
		string(const string& str)
		{
			_str = new char[str._capacity + 1];
			strcpy(_str, str._str);
			_capacity = str._capacity;
			_size = str._size;
		}
		//析构函数
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}
	private:
		char* _str;//指向字符串的指针
		size_t _size;//字符串的有效字符个数
		size_t _capacity;//字符串的容量大小
	};
}

二、Iterators（迭代器）

namespace L
{
	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;
		}
	private:
		char* _str;//指向字符串的指针
		size_t _size;//字符串的有效字符个数
		size_t _capacity;//字符串的容量大小
	};
}

string的迭代器我这里是用指针来实现的，迭代器主要就是通过begin()，end()来遍历字符串，由于我们实现了begin()和end()两个成员函数，所以我们在遍历的时候可以使用范围for来遍历字符串，范围for的底层就是替换成了迭代器

三、Capacity（容器）

1.常见容器的实现

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}
		bool empty() const
		{
			return _size == 0;
		}
		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void resize(size_t n, char ch='\0')
		{
			if (n <= _size)
			{
				_str[n] = '\0';
				_size = n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				for (size_t i = _size; i < n; i++)
				{
					_str[i] = ch;
				}
				_size = n;
			}
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* temp = new char[n+1];
				strcpy(temp, _str);
				delete[] _str;
				_str = temp;
				_capacity = n;
			}
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

2.重点代码思想剖析

这个板块我们重点讲解两个成员函数，resize()和reserve()
1、resize(size_t n, char ch='\0')；
①功能描述：当n<=size (字符串的长度）时，只保留字符串的前n个字符；当n>size时会引发扩容，并且从size位置开始一直到n位置的值都为ch;
②实现思想：当n<=size时，直接给n位置赋值成 ‘\0’（因为字符串的结束标识是\0），然后将有效字符个数改为n即可；当n>size时，从字符串的末尾开始添加字符直到size=n为止

2、void reserve(size_t n)；
①功能描述：reserve 主要是扩容，避免capacity多次扩容，影响效率；n<size时：不会缩容，也不会扩容；n>capacity时：会扩容
②实现思想：当n>capacity时，使用new动态开辟出一块大小为n+1的空间，多开1个空间是用来存放\0的，使用strcpy将原来的数据拷贝到新开的空间中，然后释放掉旧空间

四、Element access（成员访问）

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		char& operator[](size_t n) const
		{
			return _str[n];
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

五、Modifiers（修改器）

1、常见修改器的实现

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		void swap(string& s) 
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || len >= _size - pos)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos + 1;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			_str[_size] = ch;
			_size++;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}
		void insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			size_t end = _size + 1;
			while (pos < end)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}
		void insert(size_t pos,const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			int len = strlen(str);
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			int end = _size + len;
			while ((int)pos <= end - len)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				end--;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}

		string& operator+=(const char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

2、重点修改器的代码剖析
void insert(size_t pos,const char* str);
①功能描述：往字符串中的任意位置插入一个字符串
②实现思想：先判断插入进来的字符串的长度+现有的有效字符个数会不会超过该字符串的容量，超过了就扩容，然后从pos位置开始，将其后的字符全部挪动len个字符，然后再使用strncpy拷贝这个字符串到其要插入的位置

tips:容易犯错的点

	void insert(size_t pos,const char* str)
	{
		assert(pos <= _size);
		size_t len = strlen(str);
		if (len + _size > _capacity)
		{
			reserve(len + _size);
		}
		size_t end = _size + len;
		while (pos <= end - len)
		{
			_str[end] = _str[end - len];
			end--;
		}
		strncpy(_str + pos, str, len);
		_size += len;
	}

上面代码出现的问题，如下图解释

在这里插入图片描述

六、String operations（字符串操作）

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const
		{
			assert(pos < _size);
			string temp;
			if (len == npos || len >= _size - pos)
			{
				strcpy(temp._str, _str + pos);
				return temp;
			}
			else
			{
				for (size_t i = pos; i < len; i++)
				{
					temp += _str[i];
				}
				_str[len] = '\0';
				return temp;
			}
		}
		size_t find(char c, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = 0; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == c)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}
		size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			char* p=strstr(_str, s);
			if (p)
			{
				return p - _str;//指针相减得到他们之间的字符个数
			}
			else
			{
				return npos;
			}
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

七、Non-member function overloads（非成员函数重载）

namespace L
{
	class string
	{
	public:
		
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
	ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
	{
		for (size_t i = 0; i <str.size(); i++)
		{
			out << str[i];
		}
		return out;
	}
	istream& operator>>(istream& in, string& str)
	{
		char ch;
		ch = in.get();//get函数用于从输入流上读取一个字符
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			str += ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}
	void swap(string& s1, string& s2)
	{
		s1.swap(s2);
	}
}

八、整合版

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;

namespace L
{
	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(const char* str="")
			:_size(strlen(str))
		{
			_capacity = _size;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		//s1(s2)
		string(const string& str)
		{
			_str = new char[str._capacity + 1];
			strcpy(_str, str._str);
			_capacity = str._capacity;
			_size = str._size;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
			_size = _capacity = 0;
		}

		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* temp = new char[n+1];
				strcpy(temp, _str);
				delete[] _str;
				_str = temp;
				_capacity = n;
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			_str[_size] = ch;
			_size++;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void append(const char* str)
		{
			size_t len = strlen(str);
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}
		void insert(size_t pos, char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);
			}
			size_t end = _size + 1;
			while (pos < end)
			{
				_str[end] = _str[end - 1];
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;
		}
		void insert(size_t pos,const char* str)
		{
			assert(pos <= _size);
			int len = strlen(str);
			if (len + _size > _capacity)
			{
				reserve(len + _size);
			}
			int end = _size + len;
			while ((int)pos <= end - len)
			{
				_str[end] = _str[end - len];
				end--;
			}
			strncpy(_str + pos, str, len);
			_size += len;
		}

		string& operator+=(const char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		string& operator+=(const char* str)
		{
			append(str);
			return *this;
		}
		size_t size() const
		{
			return _size;
		}
		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}
		bool empty() const
		{
			return _size == 0;
		}
		void clear()
		{
			_size = 0;
			_str[_size] = '\0';
		}
		void swap(string& s) 
		{
			std::swap(_str, s._str);
			std::swap(_size, s._size);
			std::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		char& operator[](size_t n) const
		{
			return _str[n];
		}
		void resize(size_t n, char ch='\0')
		{
			if (n <= _size)
			{
				_str[n] = '\0';
				_size = n;
			}
			else
			{
				reserve(n);
				for (size_t i = _size; i < n; i++)
				{
					_str[i] = ch;
				}
				_size = n;
			}
		}

		size_t find(char c, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			for (size_t i = 0; i < _size; i++)
			{
				if (_str[i] == c)
				{
					return i;
				}
			}
			return npos;
		}
		size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
		{
			assert(pos < _size);
			char* p=strstr(_str, s);
			if (p)
			{
				return p - _str;
			}
			else
			{
				return npos;
			}
		}
		void erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
		{
			assert(pos < _size);
			if (len == npos || len >= _size - pos)
			{
				_str[pos] = '\0';
				_size = pos + 1;
			}
			else
			{
				strcpy(_str + pos, _str + pos + len);
				_size -= len;
			}
		}

		string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos) const
		{
			assert(pos < _size);
			string temp;
			if (len == npos || len >= _size - pos)
			{
				strcpy(temp._str, _str + pos);
				return temp;
			}
			else
			{
				for (size_t i = pos; i < len; i++)
				{
					temp += _str[i];
				}
				_str[len] = '\0';
				return temp;
			}
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	public:
		static const int npos;
	};
	const int string::npos = -1;//静态成员在全局初始化

	ostream& operator<<(ostream& out, const string& str)
	{
		for (size_t i = 0; i <str.size(); i++)
		{
			out << str[i];
		}
		return out;
	}
	istream& operator>>(istream& in, string& str)
	{
		char ch;
		ch = in.get();//get函数用于从输入流上读取一个字符
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			str += ch;
			ch = in.get();
		}
		return in;
	}
	void swap(string& s1, string& s2)
	{
		s1.swap(s2);
	}
}