string类

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1、为什么学习string类

1.1C语言中的字符串

​ 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。

1.2 面试题

​ 在OJ中，有关字符串的题目基本以string类的形式出现，而且在常规工作中，为了简单、方便、快捷，基本都使用string类，很少有人去使用C库中的字符串操作函数。

2、标准库中的string类

2.1 string类

string类的文档介绍： https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

2.2 auto和范围for

auto关键字

在这里补充2个C++11的小语法，方便我们后面的学习。

  • 在早期C/C++中auto的含义是：使用**auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，后来这个不重要了。**C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。
  • 用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
  • 当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。
  • auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
  • auto不能直接用来声明数组
#include<iostream>
#include<string>
#include<map>
using namespace std;
int func1()
{
	return 10;
}
// 不能做参数
void func2(auto a)
{}
// 可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto func3()
{
	return 3;
}
int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	auto d = func1();
	// 编译报错:rror C3531: “e”: 类型包含“auto”的符号必须具有初始值设定项
	auto e;
	cout << typeid(b).name() << endl;
	cout << typeid(c).name() << endl;
	cout << typeid(d).name() << endl;
	int x = 10;
	auto y = &x;
	auto* z = &x;
	auto& m = x;
	cout << typeid(x).name() << endl;
	cout << typeid(y).name() << endl;
	cout << typeid(z).name() << endl;
	auto aa = 1, bb = 2;
	// 编译报错：error C3538: 在声明符列表中，“auto”必须始终推导为同一类型
	auto cc = 3, dd = 4.0;
	// 编译报错：error C3318: “auto []”: 数组不能具有其中包含“auto”的元素类型
	auto array[] = { 4, 5, 6 };
	return 0;
}

#include<iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
int main()
{
	std::map<std::string, std::string> dict = { { "apple", "苹果" },{ "orange",
	"橙子" }, {"pear","梨"} };
	// auto的用武之地
	//std::map<std::string, std::string>::iterator it = dict.begin();
	auto it = dict.begin();
	while (it != dict.end())
	{
		cout << it->first << ":" << it->second << endl;
		++it;
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

范围for

  • 对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。
  • 范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
  • 范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器，这个从汇编层也可以看到。
#include<iostream>
#include <string>
#include <map>
using namespace std;
int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	// C++98的遍历
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
	{
		array[i] *= 2;
	}
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
	{
		cout << array[i] << endl;
	}
	// C++11的遍历
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " " << endl;
	string str("hello world");
	for (auto ch : str)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.3 string类的常用接口说明

1、string类对象的常见构造
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c
string(const string& s) 拷贝构造函数 
void Teststring()
{
    string s1;  // 构造空的string类对象s1
    string s2("hello bit");  // 用c格式字符串构造string类对象s2
    string s3(s2);    // 拷贝构造s3
}
2、string类对象的容量操作
函数名称 功能说明
size(重点) 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(重点) 检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear(重点) 清空有效字符
reserve(重点) 为字符串预留空
resize（重点） 将有效字符的个数改成n个，多出的空间用字符c填充

[!NOTE]

  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, charc)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。
  4. 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，reserver不会改变容量大小。
3、string类对象的访问及遍历操作
函数名称 功能说明
operator[] 返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin + end begin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
rbegin + rend begin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
范围for C++11支持更简洁的范围for的新遍历方式
4、string类对象的修改操作
函数名称 功能说明
push_back 在字符串后尾插字符c
append 在字符串后追加字符串str
operator+= 返回C格式字符串
c_str 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的
位置
find + npos 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

[!NOTE]

  1. 在string尾部追加字符时，s.push_back© / s.append(1, c) / s += 'c’三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
  2. 对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。
void test_string8()
{
	string file("test.app");
	size_t pos = file.find('.');
	if(pos != string::npos)
	{
		string str = file.substr(pos,file.size() - pos);
		cout << str << endl;
	}
	std::string str("please, replace the vowels in this sentence by saterisks.");
	std::size_t found = str.find_first_of("aeiou");
	while (found != std::string::npos)
	{
		str[found] = '*';
		found = str.find_first_of("aeiou", found + 1);
	}
	std::cout << str << '\n';
	
}
int main()
{
	test_string8();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

string filename("test_1.cpp");
FILE* fout = fopen(filename.c_str(), "r");
// fgetc返回的类型是int
int ch = fgetc(fout);
while (ch != EOF)
{
	cout << static_cast<char>(ch);
	//cout << ch;
	ch = fgetc(fout);
}
fclose(fout);
5. string类非成员函数
函数 功能说明
operator+ 尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>>(重点) 输入运算符重载
operator<<（重点） 输出运算符重载
getline（重点） 获取一行字符串
relational operators（重点） 大小比较

上面的几个接口大家了解一下，下面的OJ题目中会有一些体现他们的使用。string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查文档即可。

cplusplus.com/reference/

6、vs下string的结构

string总共占28个字节，内部结构稍微复杂一点，先是有一个联合体，联合体用来定义string中字符串的存储空间：

  • 当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
  • 当字符串长度大于等于16时，从堆上开辟空间
union _Bxty
{ // storage for small buffer or pointer to larger one
value_type _Buf[_BUF_SIZE];
pointer _Ptr;
char _Alias[_BUF_SIZE]; // to permit aliasing
} _Bx;

这种设计也是有一定道理的，大多数情况下字符串的长度都小于16，那string对象创建
好之后，内部已经有了16个字符数组的固定空间，不需要通过堆创建，效率高。
其次：还有一个size_t字段保存字符串长度，一个size_t字段保存从堆上开辟空间总的容量
最后：还有一个指针做一些其他事情。
故总共占16+4+4+4=28个字节。

在这里插入图片描述

g++下string的结构

G++下，string是通过写时拷贝实现的，string对象总共占4个字节，内部只包含了一个指针，该指针将来指向一块堆空间，内部包含了如下字段：

  • 空间总大小
  • 字符串有效长度
  • 引用计数
struct _Rep_base
{
	size_type 	_M_length;
	size_type 	_M_capacity;
	_Atomic_word 	_M_refcount;
};
  • 指向堆空间的指针，用来存储字符串。
7、oj题

917. 仅仅反转字母 - 力扣（LeetCode）

class Solution{
    public:
    	bool isLetter(char ch)
        {
            if(ch >= 'a' && ch <= 'z')
                return ture;
            if(ch >= 'A' && ch <= 'Z')
                return true;
            
            return false;
        }
    	string reverseOnlyLetters(string S){
            if(S.empty())
                return S;
            size_t begin = 0, end = S.size() - 1;
            while(begin < end)
            {
                while(begin < end && !isLetter(S[begin]))
                    ++begin;
                while(begin < end && !isLetter(S[end]))
                    --end;
                
                swap(S[begin], S[end]);
                ++begin;
                --end;
            }
            return S;
        }
};

387. 字符串中的第一个唯一字符 - 力扣（LeetCode）

class Solution{
public:
    int firstUniqChar(string s){
        // 统计每个字符出现的次数
        int count[256] = {0};
        int size = s.size();
        for(int i = 0; i < size; ++i)
            count[s[i]] += 1;
        // 按照字符次序从前往后找只出现一次的字符
        for(int i = 0; i < size; ++i)
        {
            if(1 == count[s[i]])
                return i;
        }
        return -1;
	}
};

字符串最后一个单词的长度_牛客题霸_牛客网

#include<iostream>
#include<string>
using namespace std;
int main()
{
    string line;
    // 不要使用cin >> line ，因为他会遇到空格就结束
    // while(cin >> line)
    while(getline(cin, line))
    {
        //line.rfind(' ') 会返回字符串 line 中最后一个空格字符的位置。如果没有空格，返回值是   		// string::npos，表示未找到空格。
        size_t pos = line.rfind(' ');
        cout<<line.size() - pos - 1 << endl;
    }
    return 0;
}

125. 验证回文串 - 力扣（LeetCode）

class Solution{
public:
    bool isLetterOrNumber(char ch)
    {
        return (ch >= '0' && ch <= '9') || (ch >= 'a' && ch <= 'z')
            || (ch >= 'A' && ch <= 'Z');
    }
    bool ispalindrome(string s){
        //先小写字母转换成大写，再进行判断
        for(auto& ch : s)
        {
            if(ch >= 'a' && ch <= 'z')
                ch -= 32;
        }
        int begin = 0, end = s.size() - 1;
        while(begin < end)
        {
            while(begin < end && !isLetterOrNumber(s[begin]))
                ++begin;
            while(begin < end && !isLetterOrNumber(s[end]))
                --end;
            if(s[begin] != s[end])
            {
                return false;
            }
            else
            {
                ++begin;
                --end;
            }
        }
        return true;
    }
}

415. 字符串相加 - 力扣（LeetCode）

class Solution{
public:
    string addstrings(string num1, string num2)
    {
        // 从后往前相加，相加的结果到字符串可以使用insert头插
		// 或者+=尾插以后再reverse过来
        int end1 = num1.size() - 1;
        int end2 = num2.size() - 1;
        int value1 = 0, value2 = 0, next = 0;
        string addret;
        while(end1 >= 0 || end2 >= 0)
        {
            if(end1 >= 0)
                value1 = num1[end1--] - '0';
            else
                value1 = 0;
            if(end2 >= 0)
                value2 = num2[end2--] - '0';
            else
                value2 = 0;
            int valueret = value1 + value2 + next;
            if(valueret > 9)
            {
                next = 1;
                valueret -= 10;
            }
            else
            {
                next = 0;
            }
            
            addret += (valueret + '0');
            
        }
        if(next == 1)
        {
            addret += '1';
        }
        reverse(addret.begin(), addret.end());
        return addret;
    }
};

3、string类的模拟实现

3.1经典string类问题

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，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。大家看下以下string类的实现是否有问题？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS    //禁用 C4996 警告
#include <iostream>
#include <cstring>
#include <stdexcept> // 用于异常处理
#include<assert.h>
// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:
	/*String()
	:_str(new char[1])
	{*_str = '\0';}
	*/
	//String(const char* str = "\0") 错误示范
	//String(const char* str = nullptr) 错误示范
	String(const char* str = "")
	{
		// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非
		if (nullptr == str)
		{
			assert(false);
			return;
		}
		_str = new char[strlen(str) + 1];
		strcpy(_str, str);
	}
	~String()
	{
		if (_str)
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
	}
private:
	char* _str;
};
// 测试
void TestString()
{
	String s1("hello bit!!!");
	String s2(s1);
}

在这里插入图片描述

[!TIP]

说明：上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

3.2 浅拷贝

[!IMPORTANT]

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。

在这里插入图片描述

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。

在这里插入图片描述

3.3 深拷贝

[!IMPORTANT]

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。

在这里插入图片描述

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS    //禁用 C4996 警告

#include <iostream>
#include <cstring>
#include <stdexcept> // 用于异常处理

class String {
public:
    // 构造函数
    // 当创建string对象时
    String(const char* str = "") {
        if (nullptr == str) {
            throw std::invalid_argument("Input string cannot be null.");
        }
        // 再+1是为字符串的结束符\0留出空间
        _str = new char[strlen(str) + 1]; // 动态分配内存
        strcpy(_str, str);  // 拷贝字符串
    }

    // 拷贝构造函数，深拷贝
    // 当用一个string对象初始化另一个string对象时
    String(const String& other) {
        _str = new char[strlen(other._str) + 1];
        strcpy(_str, other._str);  // 拷贝内容
    }

    // 赋值运算符重载 
    // 当一个string对象赋值给另一个string对象时
    String& operator=(const String& other) {
        if (this == &other) {  // 防止自我赋值
            return *this;
        }
        delete[] _str;  // 释放原有内存
        _str = new char[strlen(other._str) + 1];
        strcpy(_str, other._str);  // 深拷贝
        return *this;
    }

    // 析构函数，释放内存
    ~String() {
        delete[] _str;
    }

    // 获取字符串内容
    const char* get() const {
        return _str;
    }

private:
    char* _str = nullptr;  // 用于存储字符串的指针
};

// 测试函数
void TestString() {
    String s1("hello bit!!!");  // 使用构造函数创建 String 对象 s1
    String s2(s1);  // 使用拷贝构造函数创建 String 对象 s2，拷贝 s1
    std::cout << "s1: " << s1.get() << std::endl;
    std::cout << "s2: " << s2.get() << std::endl;
}

int main() {
    try {
        TestString();  // 执行测试
    }
    catch (const std::exception& e) {
        std::cout << "Error: " << e.what() << std::endl;  // 异常处理
    }
    return 0;
}

在这里插入图片描述

[!WARNING]

浅拷贝复制指针，深拷贝复制内容

  • 如果类中没有动态内存分配（例如只含 int、double、std::string 等），默认浅拷贝就够用了。
  • 如果类中包含指针成员（尤其是使用 new 动态分配内存），就必须手动实现深拷贝（拷贝构造函数 + 赋值运算符）。
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