c++初阶篇----string的底层模拟

string类的模拟

string类的模拟
- 功能介绍
- 各功能的实现
- - 类的构造函数，拷贝构造函数，析构函数
  - 迭代器的实现
  - string的内部容量访问成员函数
  - string的修改成员函数
  - string类的相关联函数
  - string类的输入输出友元
- 汇总
- - string功能的实现汇总
  - 测试代码

功能介绍

namespace bit
{class string{private:char* _str;size_t _capacity;size_t _size;public:typedef char* iterator;typedef const char*const_iterator;static const int npos;public:string(){}~string(){}//各个成员函数的实现}
}
const int bit::string::npos = -1;

实现思路：

迭代器的实现{typefef 一个指针，模拟指针，这里用的指针}
先实现构造函数{注意初始化的动态内存开辟}
这里还要注意如何实现缺省值（赋予nullptr? 赋予空）
，拷贝构造函数{开辟字符串长度大小的空间，strcpy内存复制}
c_str(){返回数组内容}
运算符重载拷贝 {设计现代写法，利用临时变量在此函数调用其他已经实现的构造函数，与临时变量交换，实现拷贝。第二种普遍想法，开同等大小的空间（注意实际多出1来存‘/0’），内存复制函数}
析构函数{释放空间，成员变量归零}
扩容函数reserve{若空间不足，new，思想和栈，链表开空间一样，临时变量来做缓冲}
调整字符串大小函数resize{若参数的长度小于当前string的长度，便将[n]位置的数据赋予‘/0’

修改：

尾插push_pack{判断扩容，尾部插入字符}
append{扩容，复制拷贝字符串}
插入函数insert（字符串，字符）{扩容，对pos位置的字符往后排，在pos位置插入字符，或者插入字符串（strncpy，不会复制空字符）}
擦除erase{在pos位置删除之后的字符串}
交换swap{交换函数模板，各成员变量都交换}
查找find（字符，字符串）
判断pos位置的合理性，循环比较相等
字符串需要用到库函数strstr
获取从某个位置开始的字符串substr{临时变量string来储存pos之后的字符串，注意的是，谨慎判断pos与_size和npos之间的关系大小
清除clear{_str[0]置空字符，大小变为零}
[ ]

各功能的实现

类的构造函数，拷贝构造函数，析构函数

其中涉及到库函数，内存拷贝的4个库函数

void * memcpy ( void * destination, const void * source, size_t num ); 返回值是destination，此函数是复制内存块，将字节数的值从源指向的位置直接复制到目标指向的内存块，不检查是否source是否有终止符号
void * memmove ( void * destination, const void * source, size_t num ); 返回值是destination，此函数是移动内存块。将 num 字节的值从源指向的位置复制到目标指向的内存块。复制就像使用中间缓冲区一样进行，从而允许目标和源重叠
char * strcpy ( char * destination, const char * source ); 返回值是destination，此函数的复制包括结尾的‘/0’
char * strncpy ( char * destination, const char * source, size_t num ); 返回值是 destination，此函数是复制字符串，复制n个字符至des
构造，拷贝构造

//不建议的写法
string():_str(new char[1]),_capacity(0),_size(0)
{_str[0] = '/0';
}
string(const char* s):_capacity(strlen(s))
{_str = new char[_capacity + 1];_size = _capacity;strcpy(_str, s);
}

string(const char* str = ""):_capacity(strlen(str))//缺省值不给字符，也就是空字符串
{_str = new char[_capacity + 1];//多开一个空间给‘/0’_size = _capacity;strcpy(_str, str);
}string(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];_capacity = s._capacity;_size = s._size;strcpy(_str, s._str);
}string& operator=(const string& s)
{_str = new char[s._capacity + 1];_capacity = s._capacity;_size = s._size;strcpy(_str, s._str);return *this;
}

现代写法：在实现了一个构造函数，在此基础上调用构造函数来实现另一个构造函数

string& operator=(const string& s)
{//_str = new char[s._capacity + 1];//_capacity = s._capacity;//_size = s._size;//strcpy(_str, s._str);//return *this;string tem(s);swap(tem);//这里交换要注意一开始给成员变量初始值return *this;
}

注意：交换后临时开辟的变量若对成员变量不初始化，临时变量就会变成野指针，在析构可能出现异常

在这里插入图片描述

析构函数

~string()
{delete[] _str;_str = nullptr;            _size = _capacity = 0;
}

迭代器的实现

string的迭代器这里用的是指针实现,迭代器用指针是比较容易实现的，只需返回指针即可

// iterator
typedef char* iterator;
typedef const char*const_iterator;
const_iterator begin()const
{return _str;
}
const_iterator end()const
{return _str + _size;
}
iterator begin()
{return _str;
}
iterator end()
{return _str + _size;
}

实现了迭代器，那么for循环也可以使用，其实for循环的本质也是用的迭代器的原理，表面是任意变量的拷贝，底层是迭代器的转换

	void test(){bit::string s2("abcdefg");bit::string::iterator begin = s2.begin();while (begin != s2.end()){(*begin)++;cout << *begin;begin++;}cout << endl;for (auto ch : s2){cout << ch;}}

在这里插入图片描述

string的内部容量访问成员函数

string大小容量的实现

// capacity
size_t size()const
{return _size;
}size_t capacity()const
{return _capacity;
}bool empty()const
{return _size == 0;
}

在实现resize和reserve成员函数，应该充分了解他们的底层逻辑，resize只增容不缩容，若参数大于当前容量，扩容并且以参数char c来填充扩容后的内容。
reserve是用来为其他成员函数扩容的，不缩容，所有扩容函数构造函数都会多开一个空间来留个‘\0’这个空字符

void resize(size_t n, char c = '\0')
{if (n <= _capacity){_str[n] = '\0';_size = n;}else {reserve(n);for (size_t i = _size;i < n; i++)   {_str[i] = c;}_str[n] = '\0';_size = n;}
}void reserve(size_t n)
{if (n > _capacity){char* tem = new char[n + 1];//多开一个空间strcpy(tem, _str);delete[] _str;_str = tem;_capacity = n;}
}

string的修改成员函数

   modify//void push_back(char c);//string& operator+=(char c);//void append(const char* str);//string& operator+=(const char* str);//void clear();//void swap(string& s);//const char* c_str()const

实现插入，增加的原理是一样的：
先判断是否扩容，然后插入字符，或者strcpy插入字符串

 void push_back(char c){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size++] = c;_str[_size] = '\0';}string& operator+=(char c){push_back(c);return *this;}void append(const char* str){int len = strlen(str);if(_size+len>_capacity||_size >_capacity - len)//最大值溢出问题{reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size = _size + len;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}string& operator+=(const string s){reserve(_size + s._size);strcpy(_str + _size, s._str);_size = _size + s._size;return *this;}

清除函数和交换函数也是很容易实现的
清除成员函数不需要考虑释放空间，只需要将第一个有效字符设置为’\0’即可
而交换函数可以利用库函数的模板来实现，将各个成员变量进行交换

 void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_capacity, s._capacity);std::swap(_size, s._size);}

在swap中应用中还是不太普遍，需要s1.swap(s2) ,看起来还是不够使用，也不像库函数那样，所以，可以再重载一个全局函数，这里注意是在类域外，全局处重载函数

void swap(string& s1, string& s2)
{s1.swap(s2);
}

返回字符串函数，返回成员变量_str（开辟空间的地址）即可

const char* c_str()const{return _str;}

string类的相关联函数

find成员函数的实现

// 返回c在string中第一次出现的位置
size_t find(char c, size_t pos = 0) const
{//pos合理assert(pos < _size);for (size_t i = pos;i < _size;i++){if (_str[i] == c)return i;}return npos;
}

find的字符串的实现

这里用到了库函数strstr
const char * strstr ( const char * str1, const char * str2 ); 此函数查找子字符串，若匹配了，返回指针，不匹配返回空指针

// 返回子串s在string中第一次出现的位置
size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const
{assert(pos < _size);char* ch = strstr(_str, s);if (ch){//返回俩个指针的差值，就是当前的位置return ch - _str;}else{return npos;}
}

insert插入函数的实现

 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
string& insert(size_t pos, char c)
{assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}for (size_t i = _size+1;i > pos;i--){_str[i] = _str[i-1];}_str[pos] = c;_size++;return* this;
}string& insert(size_t pos, const char* str)
{assert(pos <= _size);//和append实现思路一样size_t len = strlen(str);if (_size > _capacity - len || _size+len >_capacity )//最大值溢出的问题{reserve(_size + len);}for (size_t i = _size  + len;i > pos + len -1 ;i--){_str[i] = _str[i - len]; }strncpy(_str + pos, str,len);_size = _size + len;return *this;
}

erase擦除函数，将pos位置及后面的总计len个字符擦除

// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
string& erase(size_t pos, size_t len=npos)
{assert(pos < _size);//不用取等，最后一个_size位置是不能擦除的，'\0'if (len == npos || len > _size - pos-1){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}return *this;
}

string比较函数的实现可以借助库函数的strcmp
int strcmp ( const char * str1, const char * str2 ); 此函数将俩个字符串进行比较，相等返回0 ，str1小于str2返回一个负数（反之）

string类的输入输出友元

注意：此类函数的实现都是基于类域的外面，也就是全局

输出流cout

输入流cin

输入流的实现思路有很多种优化。
很普遍的实现是将输入的字符一个一个塞进string的实例中，一边塞一边扩容，获取输入字符可以借助库函数get()

    //istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s)//{//    //清空当前的内容//    s.clear();//    char ch;//    ch = _cin.get();//    s.reserve(64);//    while (ch != ' ' && ch != '\n')//当遇到enter和空格就停止获取//    {//        s.push_back(ch);//        ch = _cin.get();//    }//    return _cin;//}

优化：用一个大小固定的临时数组来存储当前输入字符，当输入结束或者数组已满，就赋值给string，将数组的有效字符重置，继续下一轮（如果还有输入字符）

istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s)
{s.clear();char ch;ch = _cin.get();char c[128];size_t i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){c[i++] = ch;//当数组满时if (i == 127){c[127] = '\0';//注意在这个位置赋予结束字符，否则会出现随机字符s += c;i = 0;}ch = _cin.get();}if (i > 0){c[i] = '\0';//注意先给结束字符，否则会将上一次循环的已无效字符或随机字符，+=进入strings += c;}return _cin;
}

汇总

string功能的实现汇总

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace bit
{class string{private:char* _str = nullptr;size_t _capacity = 0;size_t _size = 0;friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s);friend istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s);public:typedef char* iterator;typedef const char*const_iterator;static const int npos;public://string() :_str(new char[1]), _capacity(0), _size(0)//{//    _str[0] = '/0';//}//string(const char* s) :_capacity(strlen(s))//{//    _str = new char[_capacity + 1];//    _size = _capacity;//    strcpy(_str, s);//}string(const char* str = ""):_capacity(strlen(str))//缺省值不给字符，也就是空字符串{_str = new char[_capacity + 1];//多开一个空间给‘/0’_size = _capacity;strcpy(_str, str);}string(const string& s){_str = new char[s._capacity + 1];_capacity = s._capacity;_size = s._size;strcpy(_str, s._str);}string& operator=(const string& s){//_str = new char[s._capacity + 1];//_capacity = s._capacity;//_size = s._size;//strcpy(_str, s._str);//return *this;string tem(s);swap(tem);//这里交换要注意一开始给成员变量初始值return *this;}//俩种现代写法，在完成其他成员函数的基础上~string(){delete[] _str;_str = nullptr;            _size = _capacity = 0;}// iteratorconst_iterator begin()const{return _str;}const_iterator end()const{return _str + _size;}iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}// modifyvoid push_back(char c){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}_str[_size++] = c;_str[_size] = '\0';}string& operator+=(char c){push_back(c);return *this;}void append(const char* str){size_t len = strlen(str);if (_size >_capacity - len||_size+len>_capacity)//最大值溢出问题{reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size = _size + len;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}string& operator+=(const string s){reserve(_size + s._size);strcpy(_str + _size, s._str);_size = _size + s._size;return *this;}void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_capacity, s._capacity);std::swap(_size, s._size);}const char* c_str()const{return _str;}// capacitysize_t size()const{return _size;}size_t capacity()const{return _capacity;}bool empty()const{return _size == 0;}void resize(size_t n, char c = '\0'){if (n <= _capacity){_str[n] = '\0';_size = n;}else {reserve(n);for (size_t i = _size;i < n; i++)   {_str[i] = c;}_str[n] = '\0';_size = n;}}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tem = new char[n + 1];strcpy(tem, _str);delete[] _str;_str = tem;_capacity = n;}} accesschar& operator[](size_t index){return *(_str + index);}const char& operator[](size_t index)const{return *(_str + index);}//relational operatorsbool operator<(const string& s){if (strcmp(c_str(), s.c_str()) < 0){return true;}return false;}bool operator<=(const string& s){return *this == s || *this < s;}bool operator>(const string& s){return !(*this <= s);}bool operator>=(const string& s){return !(*this < s);}bool operator==(const string& s){if (strcmp(c_str(), s.c_str()) == 0)return true;return false;}bool operator!=(const string& s){return !(*this == s);}// 返回c在string中第一次出现的位置size_t find(char c, size_t pos = 0) const{//pos合理assert(pos < _size);for (size_t i = pos;i < _size;i++){if (_str[i] == c)return i;}return npos;}// 返回子串s在string中第一次出现的位置size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const{assert(pos < _size);char* ch = strstr(_str, s);if (ch){//返回俩个指针的差值，就是当前的位置return ch - _str;}else{return npos;}} 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置string& insert(size_t pos, char c){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : 2 * _capacity);}for (size_t i = _size+1;i > pos;i--){_str[i] = _str[i-1];}_str[pos] = c;_size++;return* this;}string& insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);//和append实现思路一样size_t len = strlen(str);if (_size > _capacity - len || _size+len >_capacity )//最大值溢出的问题{reserve(_size + len);}for (size_t i = _size  + len;i > pos + len -1 ;i--){_str[i] = _str[i - len]; }strncpy(_str + pos, str,len);_size = _size + len;return *this;}// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置string& erase(size_t pos, size_t len=npos){assert(pos < _size);//不用最后一个pos是不能擦除的，‘\0'if (len == npos || len > _size - pos-1){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{strcpy(_str + pos, _str + pos + len);_size -= len;}return *this;}};const int bit::string::npos = -1;void swap(string& s1, string& s2){s1.swap(s2);}ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s){for (auto ch : s){_cout << ch;}return _cout;}//istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s)//{//    //清空当前的内容//    s.clear();//    char ch;//    ch = _cin.get();//    s.reserve(64);//    while (ch != ' ' && ch != '\n')//当遇到enter和空格就停止获取//    {//        s.push_back(ch);//        ch = _cin.get();//    }//    return _cin;//}istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s){s.clear();char ch;ch = _cin.get();char c[128];size_t i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){c[i++] = ch;//当数组满时if (i == 127){c[127] = '\0';//注意在这个位置赋予结束字符，否则会出现随机字符s += c;i = 0;}ch = _cin.get();}if (i > 0){c[i] = '\0';//注意先给结束字符，否则会将上一次循环的已无效字符或随机字符，+=进入strings += c;}return _cin;}
}

测试代码

#include"imitate_string.h"void test1()
{//bit::string s1;bit::string s2("abcdefg");bit::string::iterator begin = s2.begin();while (begin != s2.end()){(*begin)++;cout << *begin;begin++;}cout << endl;for (auto ch : s2){cout << ch;}//cout << s2[2] << endl;
}void test2()
{bit::string s1("abcdefg");//s1.resize(4);//s1.resize(5, 'i');//cout << s1.c_str() << endl;//bit::string s2;//s2.resize(10, '1');//s1.push_back('2');s1.append("you donot know .... ,just nothing");cout << s1.c_str() << endl;
}void test3()
{bit::string s1;bit::string s2("ijustlovebutitwillbenothing");bit::string s3 = s2;s3 += s2;s2 += "itjustnothing OK";cout << s3.c_str() << endl;cout << s2.c_str() << endl;s1.swap(s2);cout << s1.c_str() << endl;s1.clear();cout << s1.c_str() << endl;
}void test4()
{bit::string s1("abadfadf");//bit::string s2("it just be ok,i think i only gave up");//swap(s1, s2);//bit::string s3 = s2;//cout << s1.c_str() << endl << s2.c_str() <<s3.c_str()<< endl;
}void test5()
{bit::string s1("abadfadf");bit::string s2("ac");size_t i = s1.find('b');//s1.insert(i, '5');//s2.insert(0,"12345");s1.erase(i, 2);s2.erase(0);s2 = s1;s2.erase(3);cout << s1.c_str() << endl;cout << s2.c_str();
}void test6()
{bit::string s1("qwert");bit::string s2("qwert");bit::string s3("qert");//cout << (s1 < s2) << endl;//0//cout << (s1 >= s2) << endl;//1//cout << (s3 <= s2) << endl;//1cout << s1 << endl;cin >> s2;cout << s2;bit::swap(s2, s1);cout << s1;}int main()
{//using namespace bit;//bit::string s1();//bit::string s2("abcdefg");//test5();//test6();bit::string s1("abka");cin >> s1;//s1.append("ab");cout << s1;return 0;
}