​👻内容专栏： C/C++编程
🐨本文概括：C++ string类的使用、探索string底层的原理、实现string类
🐼本文作者： 阿四啊
🐸发布时间：2023.9.24

前提

学习本章节的string，包括后面要学到的STL库中的知识，我们都需要渐渐的学会查找文档、查看文档进行学习。
一般在cplusplus网站查找学习就足够了，上链接😜：https://legacy.cplusplus.com/ 建议保存url地址。
有同学会感到非常沮丧，这是个英文网站，我看不懂英文怎么办，我显得很为难，能不能直接翻译成中文。博主不建议有这样想法的同学这么做，我们还是要去适应它，在工作中也是经常会查看英文文档的，所以学会英语阅读这个能力不可避免。

一、为什么要学习string类？

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。

二、标准库中的string类

string类

string类在文档中的介绍如下：

说明：

1. string是表示字符串的字符串类
2. 该类的接口与常规容器的接口基本相同，再添加了一些专门用来操作string的常规操作。
3. string是在stl库出来之前设计的，所以接口函数繁多，这里我们讲解常用的一些接口。
4. string在底层实际是：basic_string模板类的别名，
   typedef basic_string<char, char_traits, allocator>string;
5. 不能操作多字节或者变长字符的序列。

三、string类的常用接口使用

1. string类对象的常见构造

（constructor）函数名称功能说明string()（重点）构造空的string类对象，即空字符串string(const char* s) （重点）用C-string来构造string类对象string(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符cstring(const string&s) （重点）拷贝构造函数

void test_string1()
{string s1;string s2("hello world");string s3(s2);//构造+拷贝构造编译器优化为一次构造string s4 = "hello string";//单参数的构造函数支持隐式类型转换cout << s1 << endl;cout << s2 << endl;cout << s3 << endl;cout << s4 << endl;
}

2.string类对象的容量操作

函数名称（capacity）功能说明size返回字符串有效字符长度length返回字符串有效字符长度capacity返回空间总大小empty检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回falseclear清空有效字符reserve为字符串预留空间resize将有效字符串的个数改为n个，多出的空间由字符c填充

void test_string2()
{string s1("hello world");cout << s1 << endl;cout << s1.size() << endl;cout << s1.length() << endl;cout << s1.capacity() << endl;cout << "---------" << endl;//将s1字符串中清空，注意只是将size的大小清0，而没有改变底层空间(capacity)的大小s1.clear();cout << s1.size() << endl;cout << s1.capacity() << endl;cout << "---------" << endl;string s2("abc");//将s2中有效字符增加到10个，多出位置会用'x'进行补充//"abcxxxxxxx"s2.resize(10,'x');cout << s2 << endl;cout << s2.size() << endl;cout << s2.capacity() << endl;//将s2中有效字符增加到20个，多出位置用缺省值'\0'补充//"abcxxxxxxx\0\0\0\0\0\0\0\0\0\0"s2.resize(20);cout << s2 << endl;cout << s2.size() << endl;cout << s2.capacity() << endl;//将s2中有效个数缩小到5个s2.resize(5);cout << s2 << endl;cout << s2.size() << endl;cout << s2.capacity() << endl;
}

注意⚠️：

1. 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()。
2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
3. 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。

void test_string3()
{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;
}

// 利用reserve提高插入数据的效率，避免增容带来的开销
void test_string4()
{//使用string时，如果提前已经知道string中大概要放多少个元素，//可以提前用reverse()将string中空间设置好string s;s.reserve(100);size_t sz = s.capacity();cout << "initial capacity: " << sz << endl;for (int i = 0; i < 100;++i){s.push_back('c');if (sz != s.capacity()){sz = s.capacity();cout << "capacity changed: " << sz << endl;}}
}

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，reserve不会改变容量大小。
reserve主要用途是如果提前想要开辟多大的数据空间，可以利用reserve设置好，而避免扩容带来的开销。

3.string类的访问及遍历操作

函数名称功能说明operator[](重点)返回pos位置的字符，const string类对象调用begin + endbegin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位置的迭代器rebin + rend反向迭代器范围forC++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

void test_string5()
{string s("hello world");//string中遍历的三种方式//1.for + operator[] //注意我们不过可以遍历字符串中的每个字符，还可以在遍历时作修改for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){cout << s[i] << " ";}cout << endl;for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){ cout << ++s[i] << " ";}cout << endl << "------------------------" << endl;string str("hello string");//2.迭代器string::iterator it = str.begin();while (it != str.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//string::reverse_iterator rit = str.rbegin();//C++11之后，支持使用auto关键字定义迭代器，可以让编译器去自动推断类型auto rit = str.rbegin();while (rit != str.rend()){cout << *rit << " ";rit++;}cout << endl << "------------------------" << endl;string s2("hello world");//3.范围forfor (auto ch : s2){cout << ch << " ";}cout << endl;for (auto& ch : s2){cout << ++ch << " ";}
}

注意⚠️：迭代器iterator还有const版本的，即cbegin、cend、crbegin、crend四个由const修饰的成员函数，返回值为const_iterator或者const_reverse_iterator ，表示不能被修改，所以他们只支持读的功能，那么在一些特殊的情况下，比如函数传参，传入const修饰的string对象，那么，只能选择四个由const修饰的成员函数，否则就会编译报错。示例如下：

void func(const string& str)
{string::const_iterator it = str.begin();while (it != str.end()){//*it = 'a'; // 不能给常量赋值cout << *it << " ";it++;}cout << endl;//string::const_reverse_iterator rit = str.rbegin();auto rit = str.rbegin();while (rit != str.rend()){cout << *rit << " ";rit++;}
}

4.string类对象的处理操作

函数名称功能说明push_back在字符串后尾插字符cappend在字符串后追加一个字符串operator+=在字符串后追加字符串strc_str返回C格式字符串insert在字符串指定的位置插入一个字符串或者字符earse删除从pos位置开始，长度为len的字符串assign赋予新的值给字符串replace从pos位置开始，替换长度为n的一段字符串，或者字符swap交换两个字符串的内容

void test_string6()
{string s1;//在s1字符串后插入一个字符s1.push_back('x');//在s1字符串后追加一段字符s1.append("hello");s1 += 's';//在s1字符串后插入一个字符s1 += "tring";//在s1字符串后追加一段字符cout << s1 << endl;cout << s1.c_str() << endl;//以C语言字符串的方式打印//s1.insert(12, 1, '!');s1.insert(s1.end(),'!');cout << s1 << endl;s1.erase(10,2);//从下标10的位置开始，删除两个字符cout << s1 << endl;s1.erase(2);//从下标2的位置开始，删除缺省值为npos个字符(一直删除到字符串末尾)cout << s1 << endl;string s2("hello world");s1.assign(s2);//将s2的值赋给s1cout << s1 << endl;s2.replace(5, 1, "%%20");cout << s2 << endl;string s3("hello");string s4("world");s3.swap(s4);//交换两个字符串cout << "s3:" << s3 << endl;cout << "s4:" << s4 << endl;}

注意⚠️：insert/erase/replace能不用就尽量不用 ，因为他们都涉及到挪动数据，效率不高。为什么库里面有swap函数，这里还另外需要设计一个swap成员函数呢？其实因为库里面是单纯交换的string对象，会涉及到三次拷贝，效率很低，于是祖师爷直接设计一个成员函数，将他们的成员变量交换即可。

函数名称功能说明find从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中第一次出现的位置rfind从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中第一次出现的位置substr在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

void test_string7()
{//如何拿到一个文件的后缀string s1("test.cpp");size_t i = s1.find('.');//找到.位置，并返回下标string ret1 = s1.substr(i);//从下标为i位置开始，截取到s1末尾cout << ret1 << endl; //打印.cpp//如果是test.cpp.exe.zip 该如何找？string s2("test.cpp.exe.zip");size_t j = s2.rfind('.');//找到.位置，并返回下标string ret2 = s2.substr(j);//从下标为i位置开始，截取到s2末尾cout << ret2 << endl;//打印.zip//https://legacy.cplusplus.com/reference/string///如何根据以上网站分割出协议、域名、资源名string s3("https://legacy.cplusplus.com/reference/string/");size_t x = s3.find(':');string ret3 = s3.substr(0, x);size_t y = s3.find('/', x + 3);string ret4 = s3.substr(x + 3, y - (x + 3));string ret5 = s3.substr(y);cout << ret3 << endl;cout << ret4 << endl;cout << ret5 << endl;
}

5.sting类非成员函数

函数功能说明operator>>输入运算符重载operator<<输出运算符重载getline获取一行字符串relational operators字符串比较大小

以上为string相关接口函数的具体用法，讲到的都是比较常用的接口函数，这里就不全部讲述了，后面用到，可以自行查看文档。

四、sting类的模拟实现

上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让学生自己来模拟实现string类。

//为了和标准库中的string进行区分，我们自定义一个命名空间MyString，将自己实现的string类写到Mystring命名空间里面
namespace MyString
{class string{public:private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};
}

1.对string类对象的基本操作

为了保持理解整体性，我将所有代码放在一块，注释中会穿插着说明。

#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>//为了和标准库中的string进行区分，我们自定义一个命名空间MyString
namespace MyString
{class string{public://迭代器typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin(){return _str;}const_iterator begin() const{return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator end() const{return _str + _size;}无参构造函数////string()//	:_str(new char[1]{'\0'})//	,_size(0)//	,_capacity(0)//{//}//全缺省的构造函数string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){//多留一个字节的空间给'\0'_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}//现代写法//s2(s1)string(const string& s):_str(nullptr),_size(0),_capacity(0)//要给s2的内容进行初始化，否则因为s2是随机值，与swap交换后，swap销毁时程序可能会崩溃{string tmp(s._str);swap(tmp);}// s2 = s1string& operator=(const string& s){if (*this != s){//调用析构函数string tmp(s);swap(tmp);//swap会顺便释放s2的空间}return *this; }//传统写法拷贝构造函数s2(s1);//string(const string& s)//{//	_str = new char[s._capacity + 1];//	strcpy(_str, s._str);//	_capacity = s._capacity;//	_size = s._size;//}赋值重载s2 = s1//string& operator=(const string& s)//{//	//不能直接将s1的数据拷贝给s2 不能确定s2的空间比s1小还是大//	//	//开辟一段新的空间 拷贝数据过来 然后释放s2原来的旧空间//	if (*this != s)//	{//		char* tmp = new char[s._capacity + 1];//		strcpy(tmp, s._str);//		delete[] _str;//		_str = tmp;//		_size = s._size;//		_capacity = s._capacity;//	}//	//	return *this;//}//析构函数~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = _capacity = 0;}//清空字符串void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}void reserve(size_t n)  {if (n >  _capacity){//预留一个字节的位置给反斜杠0char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}//将有效字符串的个数改为n个void resize(size_t n, char ch = '\0'){if (n <= _size){_str[n] = '\0';_size = n;}else{//判断是否需要扩容reserve(n);while (_size < n){_str[_size] = ch;_size++;} _str[_size] = '\0';}}//插入操作都会涉及到扩容，我们先写好reverse(),然后再复用//对string的处理操作//字符串后尾插字符void push_back(char ch){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;_size++;_str[_size] = '\0';}//字符串后追加字符串void append(const char* str)  {size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& operator+=(char ch) {push_back(ch);return *this;}string& operator+=(const char* str){append(str);return *this;}//插入单个字符void insert(size_t pos,char ch){assert(pos <= _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//无符号类型不会小于零 可能会发生程序奔溃/*size_t end = _size;while (end >= pos) {_str[end + 1] = _str[end];end--;}*///解决方案一： 强制类型转换/*int end = _size;while (end >= (int)pos){_str[end + 1] = _str[end];end--;}*///解决方案二：修改区间size_t end = _size + 1;while (end > pos){_str[end] = _str[end - 1];end--;}_str[pos] = ch;_size++;}//插入字符串void insert(size_t pos, const char* str){assert(pos <= _size);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}size_t end = _size + len;while (end > pos){_str[end] = _str[end - len];end--;}strncpy(_str + pos, str, len);_size += len;}//删除从pos位置开始，长度为len的字符void erase(size_t pos, size_t len = npos){assert(pos < _size);if (len == npos || pos + len >= _size){_str[pos] = '\0';_size -= len;}else{size_t begin = pos + len;while (begin <= _size){_str[pos] = _str[begin];begin++;pos++;}_size -= len;}}//查找 -- 返回找到字符或者字符串位置的下标size_t find(char ch, size_t pos = 0){for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (_str[i] == ch){return i;}}return npos;}size_t find(const char* str, size_t pos = 0){const char* p = strstr(_str + pos, str);if (p){return p - _str;}else{return npos;}}//截取一段子串，返回字符串对象string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos){string s;if (len == npos || pos + len >= _size){len = _size - pos;}for (size_t i = pos; i < pos + len; i++){s += _str[i];}return s;//需要要写拷贝构造函数与赋值重载，//否则会引发浅拷贝问题(多个对象共享同一份资源，那么对已经释放的空间继续做访问操作，程序崩溃)}//关系运算符//比较的是每一个字符串字符,和strcmp的原理比较相似//返回值为布尔值bool operator>(const string& s){return strcmp(_str,s._str) > 0;}bool operator<(const string& s){return strcmp(_str, s._str) < 0;}bool operator==(const string& s){return strcmp(_str, s._str) == 0;}bool operator<=(const string& s){return *this < s || *this == s;}bool operator>=(const string& s){return *this > s || *this == s;}bool operator!=(const string& s){return  !(*this == s);}//[]访问操作符char operator[](size_t i) const{return _str[i];}char operator[](size_t i){return _str[i];}//返回string大小size_t size() const{return _size;}//返回内存空间大小size_t capacity() const{return _capacity;}//返回C格式的字符串const char* c_str() const{return _str;}private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;const static size_t npos;//const static size_t npos = -1;//特例};//静态成员变量需要在类外初始化const size_t string::npos = -1;//string的流插入和流提取ostream& operator<<(ostream& out, const string& s){/*for (size_t i = 0; i < s.size(); i++){out << s[i];}*/for (auto ch : s){out << ch;}return out;}istream& operator>>(istream& in, string& s){s.clear();//方式一：对string本身扩容//s.reserve(128);//方式二：优化//以免输入影响string的扩容，我们定义一个buffer数组，//buffer的开销只是暂时的，除了作用域就会销毁，//而不要因为输入去扩充string本身的容量char buffer[129];size_t i = 0;char ch;/*in是拿不到空格和换行的*///in >> ch;/*拿单个字符只能考虑get库函数,类似于getchar*/ch = in.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buffer[i++] = ch;if (i == 128){buffer[i] = '\0';s += buffer;i = 0;}//in >> chch = in.get();}if (i != 0){buffer[i] = '\0';s += buffer;}return in;}//测试接口 需要在main函数指定类域+函数名使用void test_string1(){/*string str("hello world");cout << str.c_str() << endl;*/string s1;cout << s1.c_str() << endl;string s2("hello world");for (size_t i = 0; i < s2.size(); i++){cout << s2[i] << " ";}cout << endl;string::iterator it = s2.begin();while (it != s2.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;for (auto ch : s2){cout << ch << " ";}}void test_string2(){string s1;s1.push_back('#');cout << s1.c_str() << endl;string s2;s2.append("hello world");cout << s2.c_str() << endl;}void test_string3(){string s1("hello world");s1.insert(0,'#');cout << s1.c_str() << endl;s1.insert(6, "%%20");cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(0, 6);cout << s1.c_str() << endl;s1.erase(1);cout << s1.c_str() << endl;}void test_string4(){string s1("hello world");cout << s1 << endl;s1.resize(5);cout << s1 << endl;s1.resize(20, '#');cout << s1 << endl;}void test_string5(){//如何拿到一个文件的后缀string s1("test.cpp");size_t i = s1.find('.');//找到.位置，并返回下标string ret1 = s1.substr(i);//从下标为i位置开始，截取到s1末尾cout << ret1 << endl; //打印.cpp//https://legacy.cplusplus.com/reference/string///如何根据以上网站分割出协议、域名、资源名string s3("https://legacy.cplusplus.com/reference/string/");size_t x = s3.find(':');string ret3 = s3.substr(0, x);size_t y = s3.find('/', x + 3);string ret4 = s3.substr(x + 3, y - (x + 3));string ret5 = s3.substr(y);cout << ret3 << endl;cout << ret4 << endl;cout << ret5 << endl;}void test_string6(){string s1("hello world");string s2;s2 = s1;cout << s2 << endl;}void test_string7(){string s1;cin >> s1;cout << s1;}
}

2.浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问违规。

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，
万一不想分享就你争我夺，玩具损坏。

我们在模拟实现substr的接口时，返回s，然后是一个string类的对象接收，此时就会编译器调用拷贝构造函数，但是我们没有写拷贝构造函数，编译器会生成默认的拷贝构造函数，在类和对象章节我们说过，默认的拷贝构造函数对象按内存存储按字节序完成拷贝，这种拷贝叫做浅拷贝，或者值拷贝。但是substr中的返回值s出了作用域就销毁了，外面再拿string类对象接收然后访问，程序就会出现崩溃。

所以，我们可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。

3.深拷贝

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

传统写法与现代写法

4.写时拷贝

具体介绍

👇以下一段话转自酷壳-CoolShell陈皓老师的一篇文章：C++ STL STRING的COPY-ON-WRITE技术

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Scott Meyers在《More Effective C++》中举了个例子，不知你是否还记得？在你还在上学的时候，你的父母要你不要看电视，而去复习功课，于是你把自己关在房间里，做出一副正在复习功课的样子，其实你在干着别的诸如给班上的某位女生写情书之类的事，而一旦你的父母出来在你房间要检查你是否在复习时，你才真正捡起课本看书。这就是“拖延战术”，直到你非要做的时候才去做。

当然，这种事情在现实生活中时往往会出事，但其在编程世界中摇身一变，就成为了最有用的技术，正如C++中的可以随处声明变量的特点一样，Scott Meyers推荐我们，在真正需要一个存储空间时才去声明变量（分配内存），这样会得到程序在运行时最小的内存花销。执行到那才会去做分配内存这种比较耗时的工作，这会给我们的程序在运行时有比较好的性能。必竟，20%的程序运行了80%的时间。

当然，拖延战术还并不只是这样一种类型，这种技术被我们广泛地应用着，特别是在操作系统当中，当一个程序运行结束时，操作系统并不会急着把其清除出内存，原因是有可能程序还会马上再运行一次（从磁盘把程序装入到内存是个很慢的过程），而只有当内存不够用了，才会把这些还驻留内存的程序清出。

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简而言之在，实际生活当中我们并不看好拖延行为，但是在C++语言中，这种拖延战术反而成为了一种具有优势的技术，写时拷贝技术(copy on write)就是一个很好的例子。

我们先来分析一下使用浅拷贝的问题有哪些？

1. 浅拷贝对同一块空间会释放两次(调用两次析构函数)；
2. 一个数据修改会影响到另一个数据。

所以对于浅拷贝，那么深拷贝就是最好的方案吗？其实不是。

原理

深拷贝在共享资源的基础上，进行拷贝多次，会导致空间资源上的浪费。避免一些空间浪费和减少拷贝操作的技术叫做写时拷贝技术。
👇大致原理如图中所示：

大家理解原理即可，具体实现操作我们会在进阶智能指针章节讲到！

🔗文章最后，分享一篇C++string很好的面试题，也是陈皓老师的。
🔗点击跳转👉👉C++面试中STRING类的一种正确写法