【c++进阶(二)】STL之string类的模拟实现

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1.前言

本章重点

本章主要介绍一些关键接口的模拟实现，例如:构造函数，拷贝构造函数，析构函数，赋值重载函数，插入删除函数等等。

2.默认成员函数

在实现默认成员函数之前，先确定成员变量

namespace wzz
{
    class string
    {
        private:
            char* _str;//用一个字符数组来模拟string
            size_t _size;//数组中实际有效的个数
            size_t _capacity;//数组中容量的大小
            static const size_t npos;//静态成员变量来表示最大值
    };
    const string::size_t npos=-1;//静态成员变量在类内声明，在类外定义
}

1.默认构造函数--当没有传值的时候，就用一个缺省值来代替--这个缺省值用空字符串代替

string (const char* str="")
{
    _str=new char[_capacity+1];
    _size=strlen(str);
    _capacity=_size;//初始时，容量就让其等于有效元素的个数
    strcpy(_str,str);
}

补充迭代器构造

template <class Inputeiterrator>
string(Inputeiterator begin,Inputeriterator end)
{
       while(begin!=end)
        {
            push_back(*begin);
            begin++;        
        }
}

2.拷贝构造函数--用一个char*来初始化另一个char*

在这里会详细介绍深浅拷贝--后续就不在重点介绍了

浅拷贝：拷贝出来的目标对象的指针和源对象的指针指向的内存空间是同一块空间。其中一个对象的改动会对另一个对象造成影响。
深拷贝：深拷贝是指源对象与拷贝对象互相独立。其中任何一个对象的改动不会对另外一个对象造成影响。

很明显，深拷贝比浅拷贝更加安全，不会有同一块空间析构两次的问题。这里拷贝构造就介绍两种写法

法一：开辟一块空间，然后把数据拷贝过来--如下图

代码：

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

法二：利用swap函数

法二与法一的思想不同：先根据源字符串的C字符串调用构造函数构造一个tmp对象，然后再将tmp对象与拷贝对象的数据交换即可。拷贝对象的_str与源对象的_str指向的也不是同一块空间，是互相独立的。

代码如下：


string(const string& s)
	:_str(nullptr)
	, _size(0)
	, _capacity(0)
{
	string tmp(s.begin(),s.end()); //调用构造函数(这里用的是迭代器构造)，构造出一个C字符串为s._str的对象
	swap(tmp); //交换这两个对象
}

swap函数的模拟实现

只需要把每个成员变量进行交换即可

//交换两个对象的数据
void swap(string& s)
{
	//调用库里的swap
	std::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
	std::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
	std::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
}

这里推荐使用方法二来模拟实现构造函数

3.赋值重载函数

这里也涉及到深浅拷贝的问题--因此提供两种深拷贝的写法

法一：把原来的空间直接释放，然后开辟新空间，然后再赋值

//法一
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s) //防止自己给自己赋值
	{
		delete[] _str; //将原来_str指向的空间释放
		_str = new char[s._capacity + 1]; //重新申请一块空间
		strcpy(_str, s._str);    //将s._str拷贝一份到_str
		_size = s._size;         //_size赋值
		_capacity = s._capacity; //_capacity赋值
	}
	return *this; //返回左值（支持连续赋值）
}

法二：用交换函数

//方法二
string& operator=(const string& s)
{
	if (this != &s) //防止自己给自己赋值
	{
		string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
		swap(tmp); //交换这两个对象
	}
	return *this; //返回左值（支持连续赋值）
}

注意：

用传值返回还是传引用返回，要看你返回的这个值除了作用域还在不在，如果在的话就可以使用传值返回，如果不在的话就一定要使用传引用返回，否则就会报错。

4.析构函数

string类的析构函数需要我们进行编写，因为每个string对象中的成员_str都指向堆区的一块空间，当对象销毁时堆区对应的空间并不会自动销毁，为了避免内存泄漏，我们需要使用delete手动释放堆区的空间。

//析构函数
~string()
{
	delete[] _str;  //释放_str指向的空间
	_str = nullptr; //及时置空，防止非法访问
	_size = 0;      //大小置0
	_capacity = 0;  //容量置0
}

3.迭代器相关函数

string类中的迭代器实际上就是字符指针，只是给字符指针起了一个别名叫iterator而已。

typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;

注意：不是所有的迭代器都是指针，比如在list中迭代器就是节点

begin函数---返回字符的第一个地址

iterator begin()
{
	return _str; //返回字符串中第一个字符的地址
}
const_iterator begin()const
{
	return _str; //返回字符串中第一个字符的const地址
}

end函数---返回字符的最后一个地址（即\0的地址）

iterator end()
{
	return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的地址
}
const_iterator end()const
{
	return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的const地址
}

4.容量大小相关的函数

size和capacity

因为string类的成员变量是私有的，我们并不能直接对其进行访问，所以string类设置了size和capacity这两个成员函数，用于获取string对象的大小和容量
size函数用于获取字符串当前的有效长度（不包括’\0’）。

//大小
size_t size()const
{
	return _size; //返回字符串当前的有效长度
}

capacity用于获取当前的容量

//容量
size_t capacity()const
{
	return _capacity; //返回字符串当前的容量
}

reverse和resize

reverse--只有当大于当前容量时才会进行扩容，其他不关心

//改变容量，大小不变
void reserve(size_t n)
{
	if (n > _capacity) //当n大于对象当前容量时才需执行操作
	{
		char* tmp = new char[n + 1]; //多开一个空间用于存放'\0'
		strncpy(tmp, _str, _size + 1); //将对象原本的C字符串拷贝过来（包括'\0'）
		delete[] _str; //释放对象原本的空间
		_str = tmp; //将新开辟的空间交给_str
		_capacity = n; //容量跟着改变
	}
}

注意：代码中使用strncpy进行拷贝对象C字符串而不是strcpy，是为了防止对象的C字符串中含有有效字符’\0’而无法拷贝（strcpy拷贝到第一个’\0’就结束拷贝了）。

reseize

1、当n大于当前的size时，将size扩大到n，扩大的字符为ch，若ch未给出，则默认为’\0’。
2、当n小于当前的size时，将size缩小到n。

//改变大小
void resize(size_t n, char ch = '\0')
{
	if (n <= _size) //n小于当前size
	{
		_size = n; //将size调整为n
		_str[_size] = '\0'; //在size个字符后放上'\0'
	}
	else //n大于当前的size
	{
		if (n > _capacity) //判断是否需要扩容
		{
			reserve(n); //扩容
		}
		for (size_t i = _size; i < n; i++) //将size扩大到n，扩大的字符为ch
		{
			_str[i] = ch;
		}
		_size = n; //size更新
		_str[_size] = '\0'; //字符串后面放上'\0'，这里如果不放\0后续就会产生错误
	}
}

empty--判断是否还有元素

//判空
bool empty()
{
	return _size== 0;
}

5.与插入删除有关的函数

insert函数的作用是在字符串的任意位置插入字符或是字符串。
insert函数用于插入字符时，首先需要判断pos的合法性，若不合法则无法进行操作，紧接着还需判断当前对象能否容纳插入字符后的字符串，若不能则还需调用reserve函数进行扩容。插入字符的过程也是比较简单的，先将pos位置及其后面的字符统一向后挪动一位，给待插入的字符留出位置，然后将字符插入字符串即可。

//在pos位置插入字符
string& insert(size_t pos, char ch)
{
	assert(pos <= _size); //检测下标的合法性
	if (_size == _capacity) //判断是否需要增容
	{
		reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //将容量扩大为原来的两倍
	}
	char* end = _str + _size;
	//将pos位置及其之后的字符向后挪动一位
	while (end >= _str + pos)
	{
		*(end + 1) = *(end);
		end--;
	}
	_str[pos] = ch; //pos位置放上指定字符
	_size++; //size更新
	return *this;
}

如果要用于插入字符串也是和上述插入一个字符同理

//在pos位置插入字符串
string& insert(size_t pos, const char* str)
{
	assert(pos <= _size); //检测下标的合法性
	size_t len = strlen(str); //计算需要插入的字符串的长度（不含'\0'）
	if (len + _size > _capacity) //判断是否需要增容
	{
		reserve(len + _size); //增容
	}
	char* end = _str + _size;
	//将pos位置及其之后的字符向后挪动len位
	while (end >= _str + pos)
	{
		*(end + len) = *(end);
		end--;
	}
	memcpy(_str + pos, str, len); //pos位置开始放上指定字符串
	_size += len; //size更新
	return *this;
}

push_back和push_front

void push_back(char ch)
{
    insert(_size(),ch);
}


void push_front(char ch)
{
    insert(0,ch);
}

erase函数

erase函数的作用是删除字符串任意位置开始的n个字符。删除字符前也需要判断pos的合法性，进行删除操作的时候分两种情况：
1、pos位置及其之后的有效字符都需要被删除。
这时我们只需在pos位置放上’\0’，然后将对象的size更新即可。

2.删除pos位置的一部分len长度的字符

//删除pos位置开始的len个字符
string& erase(size_t pos, size_t len = npos)
{
	assert(pos < _size); //检测下标的合法性--下标是0-_size-1,所以删除的位置不能超过_size
	size_t n = _size - pos; //pos位置及其后面的有效字符总数
	if (len >= n) //说明pos位置及其后面的字符都被删除
	{
		_size = pos; //size更新
		_str[_size] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
	}
	else //说明pos位置及其后方的有效字符需要保留一部分
	{
		strcpy(_str + pos, _str + pos + len); //用需要保留的有效字符覆盖需要删除的有效字符
		_size -= len; //size更新
	}
	return *this;
}

pop_back和pop_front函数

void pop_back()
{
    erase(_size,1);
}

void pop_front()
{
    erase(0,1);
}

append函数

主要含义就是在尾部追加字符串

//尾插字符串
void append(const char* str)
{
	insert(_size, str); //在字符串末尾插入字符串str
}

6.访问相关函数

operator[]---实际是一个函数重载

//[]运算符重载（可读可写）---由于是char*的结构，支持下标随机访问
char& operator[](size_t i)
{
	assert(i < _size); //检测下标的合法性
	return _str[i]; //返回对应字符
}

//只能读
const char& operator[](size_t i)
{
	assert(i < _size); //检测下标的合法性
	return _str[i]; //返回对应字符
}

find函数

找到了就返回下标，没找到就返回npos，即-1

//正向查找第一个匹配的字符
size_t find(char ch, size_t pos = 0)
{
	assert(pos < _size); //检测下标的合法性
	for (size_t i = pos; i < _size; i++) //从pos位置开始向后寻找目标字符
	{
		if (_str[i] == ch)
		{
			return i; //找到目标字符，返回其下标
		}
	}
	return npos; //没有找到目标字符，返回npos
}