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1.标准库中的string类

        1.1 string类(了解)

传送门：https://cplusplus.com/reference/string/string/?kw=string

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

        1.2 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

    std::string::iterator it = s1.begin();
    auto it=s1.begin();//自动推导，简化程序

    std::map<string,string> dict;
    std::map<string,string>::iterator mit = dict.begin();
    auto mit = dict.begin();//简化程序,牺牲程序可读性

int func1()
{
	return 10;
}
//// 不能做参数
//void func2(auto a)//err
//{
//}
// 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();//推导成int

	//// 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;//这个用来打印类型

	int x = 10;
	auto y = &x;
	auto* z = &x;//这种右边必须是指针类型
	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;
}

auto 牺牲了程序的可读性，但提高了便利性

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

int main()
{
	string s1("hello world");
    //字符赋值，自动迭代，自动判断结束。底层就是迭代器
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	return 0;
}

我们发现底层有去调用begin和end，这也印证了容器遍历实际就是替换为迭代器

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，底层替换成指针
	for (auto& e : array)//加引用就可以修改数组的值
		e *= 2;
	for (auto e : array)//数组就不会转换为迭代器而是特殊处理为指针
		cout << e << " " << endl;
	string str("hello world");
	for (auto ch : str)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

        1.3 string类的常用接口说明

1.构造函数

string类构造函数功能表

构造函数名称	功能说明
string()	构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s)	用C风格字符串来构造string类对象
string(size_t n, char c)	构造包含n个字符c的string类对象
string(const string& s)	拷贝构造函数，用已有string对象构造新对象

第1,2,4这几个非常常见下面进行演示

int main()
{
	string st1;//默认构造
	string st2("abcdef");//带参构造
	string st3(st2);//拷贝构造
	cout << st1 << endl;
	cout << st2 << endl;
	cin >> st3;
	cout << st3 << endl;
	return 0;
}

由于string重载了流插入和流提取，所以可以直接用>> <<来输入输出

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接着看看第3个，第三个就是部分拷贝，下面进行演示

int main()
{
	string st1("hello world");
	string st2(st1,6,5);//输出world
    //string st2(st1,6);//输出world
    //string st2(st1,6，100);//输出world
	cout<< st2 << endl;
	return 0;
}

我们可以看到 参数len给了一个缺省值npos，这里的npos是一个static const size_t对象

    static const size_t npos = -1; 

但有意思的是size_t对象却给了一个-1，这里就涉及之前学的原码反码补码的概念了。

1. -1的原码：1000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0001

2. 符号位不变其他按位取反：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1110

3. 补码=反码+1：1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111

 由于 npos 被声明为 size_t（无符号整数），计算机直接将1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111这个补码直接解释为正整数（正整数原反补码相同）于是就是整型的最大值4,294,967,295，由于string对象不可能这么长，因此npos 用来明确无误地表示"未找到"或"无效位置"的状态。

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第5个就是用前n个字符进行初始化，第6个就是用某个字符c去初始化前n个,直接上代码：

int main()
{
	string s1("hello world",5);
	cout<< s1 << endl;//输出hello
    string s2(5,'k');
	cout << s2 << endl;//输出kkkkk
	return 0;
}

2. string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size	返回字符串有效字符长度（与length功能相同，推荐使用size，具有通用性）
length	返回字符串有效字符长度（C++标准库历史遗留名称，比较局限）
capacity	返回当前为字符串分配的空间总大小（可能大于有效字符长度）
empty	检测字符串是否为空串（无有效字符），为空返回true，否则返回false
clear	清空所有有效字符（不影响capacity容量）
reserve	预分配存储空间（用于优化性能，避免频繁重新分配内存）
resize	修改有效字符数量为n个，多余空间用字符c填充（不指定c时默认填充空字符'\0'）

int main()
{
	string s1("hello world");
	cout<<s1.length() << endl;//11
	cout << s1.size() << endl;//11
	cout << s1.max_size() << endl;//2147483647
	return 0;
}

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。

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。

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接下来我们了解一下扩容机制：

int main()
{
	string s;
	size_t sz = s.capacity();
	cout<<"making s longer..."<< endl;
	for (int i = 0; i < 100; ++i)
	{
		s.push_back('c');
		if (sz != s.capacity())//容量变了就打印
		{
			sz = s.capacity();
			cout << "capacity changed: " << sz << endl;
		}
	}
	return 0;
}

容量其实没有算‘/0’，所以比实际空间少一个，我们可以看到vs这里第一次是2倍（第一次2倍因为第一次不在堆区存数据）后续是1.5倍，这里vs为了提高效率，刚开始数组不是在堆区，而是一个_buff数组开了16个字节在栈区，也就意味着当数据小于16，时存在buff里也就是栈区，当数据大于16时buff就废弃了，不存数据，但这块空间还在的。

在不同的编译器下，所做的处理就不同了，比如在Linux（g++）下就是从1开始都是2倍扩容

int main()
{
	string s1("ccccccccccccccccccccccccccccccccccc");
	string s2("hello world");
	cout << sizeof(s1) << endl;//28
	cout << sizeof(s2) << endl;//28
	return 0;
}

s1：虽然字符串数据在堆上，但std::string对象本身包含：

1. 一个指针（指向堆内存）
2. 两个size_t成员（大小和容量）
3. 联合体的所有可能成员（包括未使用的本地缓冲区）

s2：使用SSO，字符串数据存储在对象内部的本地缓冲区中，但对象结构相同：

1. 联合体占用最大成员的空间（本地缓冲区）
2. 同样有两个size_t成员

16（union） + 4（_size） + 4（_capacity） + 4（可能的内存对齐） = 28字节

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reserve

reserve() 是 std::string 的成员函数，用于预分配内存空间以避免多次重新分配。

int main()
{
	string s;
	s.reserve(100);
	cout<<s.capacity()<<endl;//111
	return 0;
}

操作	效果	内存变化	内容变化	容量变化
reserve(n) (n > capacity)	预分配更多空间	重新分配内存	不变	容量 ≥ n
reserve(n) (n ≤ capacity)	非绑定缩小请求	通常无变化	不变	容量不变
reserve(0)	非绑定缩小请求	通常无变化	不变	容量不变
reserve() (无参数)	等同于reserve(0)	通常无变化	不变	容量不变

注意

1.s.reserve(0); 最终非绑定的缩小请求，实现可能忽略（不同编译器做不同处理）

2.string s = "hello"; s.reserve(100); 容量增加，但内容仍是"hello"

使用建议：当你知道字符串最终大小时，使用 reserve() 预分配可以显著提升性能

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resize

特点：改变字符串长度，可能需要重新分配内存，会初始化新空间的内容

操作条件	效果	内存变化	内容变化
resize(n) (n > size)	扩展	可能重新分配	新空间填充'\0'
resize(n, c) (n > size)	扩展	可能重新分配	新空间填充字符c
resize(n) (n < size)	截断	不重新分配	丢弃尾部字符
resize(n) (n == size)	无变化	无变化	无变化
resize(0)	清空	不重新分配	变为空字符串

总结：resize() 主要用于改变字符串的长度，会根据需要初始化新空间或截断内容，是操作字符串大小的主要方法。

3. string类对象的访问及遍历操作

方法	功能描述	适用场景	示例代码
operator[]	返回pos位置的字符引用，const string类对象可调用	随机访问修改特定位置字符	char c = str[0];
begin/end	begin返回首字符迭代器，end返回末字符下一位置的迭代器（通常为'\0'）	顺序遍历或STL算法操作	for(auto it=str.begin(); it!=str.end(); ++it)
rbegin/rend	rbegin返回反向起始迭代器（末字符），rend返回反向结束迭代器（首字符前位置）	逆序遍历	for(auto rit=str.rbegin(); rit!=str.rend(); ++rit)
范围for	C++11语法，自动迭代整个字符串	简洁遍历无需显式迭代器	for(char c : str)

这里演示一下比较重要的operator[]

int main()
{
	string s1("hello world");
	s1[0] = 'x';//支持随机访问
	cout << s1 << endl;//输出xello world

	const string s2("hello world");
	//s2[0] = 'x';//不支持修改
	cout << s2[1] << endl;//输出e
	return 0;
}

这里注意一下，[]会转换为opertor[]函数去调用，再函数内有类似assert(i<_size)的断言有效防止数组越界。为了频繁访问[]，还设计inline的作用

对象遍历演示：

//遍历string
int main()
{
	string s1("hello world");
	//法一 下标+[]
	for (int i = 0; i < s1.size(); i++)
	{
		cout << s1[i] << " ";
	}
	cout << endl;

	//法二 迭代器
	for (string::iterator it = s1.begin(); it != s1.end(); it++)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;

	//法三 范围for
	for (auto e : s1)
	{
		cout << e << " ";
	}
	return 0;
}

iterator提供了一种通用的容器访问方式，非常重要。

我们发现iterator很像指针，但其实可能是指针也可能不是，所以‘++’，‘*’是运算符重载后续会了解

a.正向迭代器(iterator)

迭代器是可以修改的如以下操作：

int main()
{
	string s1("hello world");
	for (string::iterator it = s1.begin(); it != s1.end(); it++)
	{
		*it += 2;
		cout << *it << " ";
	}//输出j g n n q " y q t n f
	cout << endl;
	cout<< s1 <<endl;//输出j g n n q " y q t n f
	for (auto e : s1)
	{
		e -= 2;
		cout << e << " ";
	}//输出h e l l o w o r l d
	cout << endl;
	cout<< s1 <<endl;//输出j g n n q " y q t n f
	return 0;
}

我们在迭代器对每个字符都加了2；于是s1就变成jgnnq"yqtnf，在范围for尝试复原s1，但cout<< s1 <<endl;结果还是输出jgnnq"yqtnf，而在范围for里面却是还原的，这里就要注意：

范围for转化为迭代器后，会自动取它里面的每一个字符，也就是*it，将*it拷贝给e，也就是说e仅仅只是string里面的每个字符的拷贝，没有修改string，如果真的要修改就要加引用

    for (auto& e : s1)

这样e就是string里面每个字符的别名，修改e就相当于修改s1。

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b.反向迭代器(reverse_iterator)

rbegin返回反向起始迭代器（末字符），rend返回反向结束迭代器（首字符前位置）注意这里还是使用++，这里其实还是运算符重载的问题。

int main()
{
	string s1("hello world");
	//auto rit = s1.rbegin();
	string::reverse_iterator rit = s1.rbegin();
	while (rit != s1.rend())
	{
		cout << *rit << " ";
		++rit;
	}//输出d l r o w   o l l e h
}

---

c.const正向迭代器(const_iterator)

int main()
{
	const string s1("hello world");
	//auto cit = s1.cbegin();
	string::const_iterator cit = s1.cbegin();
	while (cit != s1.cend())
	{
		cout << *cit << " ";
		++cit;
		//*cit++;只能读取不能修改
	}
	return 0;
}

---

d.const反向迭代器(const_reverse_iterator)

int main()
{
	const string s1("hello world");
	//auto crit = s1.crbegin();
	string::const_reverse_iterator crit = s1.crbegin();
	while (crit != s1.crend())
	{
		cout << *crit << " ";
		++crit;
		//*crit++;//只能读取不能修改
	}
	return 0;
}

总结：

类型缩写	英文全称	中文名称	特性	读写能力	示例代码（使用std::string）
it	Iterator	(普通)迭代器	行为类似指针，支持常规遍历	可读可写	string::iterator it = str.begin(); *it = 'Z'; // 可以修改字符
cit	Const Iterator	常量迭代器	指向内容不可修改	只读	string::const_iterator cit = str.cbegin(); // *cit = 'A'; // 错误！ char c = *cit; // 正确
rit	Reverse Iterator	反向迭代器	从后向前遍历，rit++指向前一个字符	可读可写	string::reverse_iterator rit = str.rbegin(); *rit = 'X'; // 修改最后一个字符
crit	Const Reverse Iterator	常量反向迭代器	反向遍历且内容不可修改	只读	string::const_reverse_iterator crit = str.crbegin(); // 从最后一个字符开始反向只读遍历

​​​​​​注意迭代器也存在权限缩小的问题：

• 对于非const的string对象：

  • cit（const_iterator）可以从 begin()、cbegin()、end()、cend() 获取

  • crit（const_reverse_iterator）可以从 rbegin()、crbegin()、rend()、crend() 获取

• 对于const的string对象：

  • begin() 和 cbegin() 都返回 const_iterator

  • rbegin() 和 crbegin() 都返回 const_reverse_iterator

4. string类对象的修改操作

函数名称	功能说明	代码示例
push_back	在字符串末尾插入字符c	string s = "abc"; s.push_back('d'); // s变为"abcd"
append	在字符串后追加一个字符串	string s = "abc"; s.append("def"); // s变为"abcdef"
operator+=	在字符串后追加字符串str（常用）	string s = "abc"; s += "def"; // s变为"abcdef"
c_str	返回C格式字符串（const char*类型）	string s = "abc"; const char* p = s.c_str(); // p指向"abc"
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	string s = "abc"; size_t pos = s.find('b'); // pos为1
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	string s = "abcb"; size_t pos = s.rfind('b'); // pos为3
substr	在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回	string s = "abcdef"; string sub = s.substr(1, 3); // sub为"bcd"

注意：

1. 在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / 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。

5. string类非成员函数

函数/运算符	功能说明	代码演示
operator+	传值返回导致深拷贝效率低，建议少用	string s3 = s1 + s2; // 连接字符串
operator>>	输入运算符重载，用于流式输入	cin >> str; // 读取空格分隔的字符串
operator<<	输出运算符重载，用于流式输出	cout << str; // 输出字符串内容
getline	获取整行输入（包括空格）	getline(cin, str); // 读取整行文本
relational operators	比较运算符（如 <, ==, >）	if(s1 < s2) {...} // 字典序比较

C++的cin和C的scanf都提取不到空格，都会以空格进行分割，剩余的字符会留在缓冲区，这里使用getline就可以自己设定终止符。

上面的几个接口大家了解一下，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。

6.vs和g++下string结构

注意：下述结构是在32位平台下进行验证，32位平台下指针占4个字节。

• 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：

1. 当字符串长度小于16时，使用内部固定的字符数组来存放
2. 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

• 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：

1. 空间总大小
2. 字符串有效长度
3. 引用计数
4. 指向堆空间的指针，用来存储字符串。

struct _Rep_base
{
size_type _M_length;
size_type _M_capacity;
_Atomic_word _M_refcount;
};