【C++之STL】摸清 string 的模拟实现（下）

时间：2024-11-23 06:55:21

string的模拟实现系列文章：

  1. 模拟实现上
  2. 模拟实现中
  3. 模拟实现下

文章目录

  • 7. 字符串操作
    • 7. 1 `c_str()`和`date()`
    • 7. 2 `find()`
  • 8. 迭代器相关
    • 8. 1 迭代器实现
    • 8. 2 `begin()`
    • 8. 3 `end()`
  • 9. 运算符重载
    • 9. 1 流插入和流提取
    • 9. 2 比较运算符
  • 10. `string`模拟实现的现代写法
  • 11. 补充阅读：写时拷贝

7. 字符串操作

7. 1 c_str()和date() 

const char* c_str() const;

返回string对象底层的字符串的指针，且不可通过返回的指针修改字符串。

实现时直接返回即可。

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

但是要注意的是，如果在使用该函数并将其返回值存储起来后，如果后续对string操作时导致string的字符串的地址发生了改变，那么之前存储起来的指针就已经失效了，是个野指针。

这个函数用来兼容一些C语言的不兼容string类型的接口。

date()接口和c_str()的效果是基本一样的。

7. 2 find()

首先是find()，它有四种重载：

size_t find (const string& str, size_t pos = 0) const;
size_t find (const char* s, size_t pos = 0) const;
size_t find (const char* s, size_t pos, size_t n) const;
size_t find (char c, size_t pos = 0) const;

虽然有四种，但它们的目的是一样的：从string对象的第pos（缺省为0）个元素开始向后查找到数据尾部，查找与 str/s前n个字符完全相同的字符串，并返回第一个匹配项的第一个字符的位置，如果没有匹配项就返回npos。

这里模拟实现一下第2个和第4个重载，其他重载也是同理。

size_t string::find(char c, size_t pos) const
{
    // 首先要断言，不然会数组越界访问
    assert(pos < _size);
    // 从pos位置开始找与字符 c 相同的字符
    for (size_t i = pos; i < _size; i++)
    {
        if (_str[i] == c)
            return i;
    }
    // 没找到返回 npos
    return npos;
}

size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{
    assert(pos < _size);
    // strstr是C语言中用于比较两个字符串是否相同的库函数，使用方法请看下文。
    char* tmp = strstr(_str + pos, s);
    if (tmp == nullptr)
        return npos;
    return tmp - _str;
}

补充：strstr的使用，在第10章。

如果是带有size_t n形参的函数，可以先把str/s的前n个字符拷贝出来再进行相同的过程。

而与find()功能相似的一系列函数：

// 与find()相同，只是从后往前找
rfind()
// 在字符串中搜索与其参数中指定的任何字符匹配的第一个字符。
find_first_of()
// 从后往前找
find_last_of()
// 找第一个不是的
find_first_of()
// 从后往前找第一个不是的
find_last_not_of()

可以自行尝试实现，与find()其实都大同小异，这里就不再赘述了。

8. 迭代器相关

在上文第三章我们提到过，可以直接使用

typedef char* iterator;

来模拟实现迭代器，这里做进一步补充。

8. 1 迭代器实现

尽管我们已经通过这种方式得到了迭代器，但迭代器除了普通迭代器之外还有const迭代器，对于一个被const修饰的string类型，如果尝试取出一个普通迭代器，会发生权限放大；以及在一些场景下，我们不希望迭代器有对对象中的数据进行修改的权限，就可以使用const迭代器，它的声明如下：

typedef const char* const_iterator;

注意不要修改const_iterator这个名称！

对于普通的迭代器，当需要需要修改数据时，直接进行解引用然后修改就行了，而const迭代器虽然也能解引用，但是不能修改，只能查看数据。

8. 2 begin()

直接返回_str的第一个元素位置。

注意要实现两个版本，一个是普通版本的，还有一个const版本的。

string::iterator string::begin()
{
    return _str;
}
string::const_iterator string::begin() const
{
    return _str;
}

8. 3 end()

返回指向_str的最后一个元素的下一个位置的指针。

也要提供两个版本。

string::iterator string::end()
{
    return _str + _size;
}

string::const_iterator string::end() const
{
    return _str + _size;
}

注意迭代器区间是左开右闭的，所以end()指向的是有效数据的下一位。

rbegin()和rend的实现相对复杂，这里先不讲。

9. 运算符重载

9. 1 流插入和流提取

在类和对象(中)5.1章第13点我们提到过，流插入和流提取必须重载为全局函数或者使用友元，这离我们依然将其重载为全局函数。

std::ostream& operator<<(std::ostream& out, const test::string& s);
std::istream& operator>>(std::istream& in, test::string& s);
  1. 流插入比较简单，只需要直接将_str插入到流中就可以了。
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
{
    for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
    {
        cout << s[i];
    }
    cout << endl;
    return out;
}
  1. 但流提取比较复杂，因为我们不知道会插入多长的数据，所以不能直接包装 cin>>_str，我们可以每次读取一个字符，然后判断和这个字符是不是' '或者'\n'，如果是就停止读取，不是就插入到字符串中。但是每次都进行插入可能会有性能问题，为了缓解这一问题，我们可以创建一个字符数组，每次读取到字符之后先放到这个字符数组中，如果这个字符数组满了或输入结束，就把它加到string对象中，这样可以缓解性能问题。

补充：istream::get()类似于getchar()，可以从流中得到一个字符。

istream& operator>>(istream& in, string& s)
{
    char ch = '\0';
    // 流提取会把原来的数据全部删除
    s.clear();
    // 先提取一次，避免错误数据被插入
    in.get(ch);
    // 临时数组
    char tmp[256];
    int times = 0;
    while (ch != '\n' && ch != ' ')
    {
        if (times == 255)
        {
            tmp[times] = '\0';
            s += tmp;
            times = 0;
        }
        tmp[times++] = ch;
        in.get(ch);
    }
	// 如果是输入结束，也要把tmp再次追加到string对象后面
    if (times != 0)
    {
        tmp[times] = '\0';
        s += tmp;
    }
    return in;
}

9. 2 比较运算符

bool operator<(const string& s1, const string& s2);
bool operator<=(const string& s1, const string& s2);
bool operator>(const string& s1, const string& s2);
bool operator>=(const string& s1, const string& s2);
bool operator==(const string& s1, const string& s2);
bool operator!=(const string& s1, const string& s2);

比较操作符虽然可以在类中重载，但也可以将其重载为全局函数。

虽然看着很多，但实际上我们只需要实现两个——==和>，其他的就可以全部进行复用这两个来快速解决这六个函数了。

另外在实现operator==和operator>时，也可以直接使用C语言的库函数strcmp，使用方式可见：字符串函数第六章。

bool operator>(const string& s1, const string& s2)
{
    return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) > 0;
}
bool operator==(const string& s1, const string& s2)
{
    return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}
bool operator<(const string& s1, const string& s2)
{
    return !(s1 == s2 || s1 > s2);
}
bool operator<=(const string& s1, const string& s2)
{
    return s1 < s2 || s1 == s2;
}
bool operator>=(const string& s1, const string& s2)
{
    return !(s1 < s2);
}
bool operator!=(const string& s1, const string& s2)
{
    return !(s1 == s2);
}

10. string模拟实现的现代写法

这是两个复制重载，你觉得哪一个更好？

// 注意这个形参没有引用符号
String& operator=(String s)
{
	swap(_str, s._str);
	return *this;
}

string& string::operator=(const string& s)
{
    string tmp(*this);
    clear();
    if (s._size > _capacity)
    {
        size_t newcapacity = 2 * _capacity > s._size ? 2 * _capacity : s._size;
        reserve(newcapacity);
    }
    strcpy(_str, s._str);
    return *this;
}

实际上从性能的角度分析，第一个写法是不如第二个写法的，但是如果面试中面试官想要你快速实现一个string类的框架，那么第一个写法可以更加快速地实现出来，在这种场景是更优秀的。

现代写法体现的是复用这一思想，可以更快地帮助我们开发，也能相对减少Bug出现的可能，所以除了对性能要求特别高的情况下，都可以使用类似的思想来加快开发。

本文的许多地方已经使用了现代写法，比如赋值操作符重载和比较运算符重载。

11. 补充阅读：写时拷贝

在一些编译器如g++中，有时不会使用深拷贝，而是使用写时拷贝（也称写时才拷贝）。

其原理大致为：

  1. 对于每一个不相关的string对象，其指向的字符数组_str都有一个对应的计数器time。
  2. 当发生拷贝时，直接进行浅拷贝，并time++。
  3. 当有指向这块空间的string对象析构时，time--，只有在time为0时才会释放这块空间
  4. 如果在析构之前，有对象尝试对这块空间的数据进行修改（写入），就会进行深拷贝，让这个对象指向一块新的空间。

那么通过这个原理我们可以看出，如果是一些string对象指向同一块空间并且都不进行修改的情况，写时拷贝可谓如鱼得水，效率相对我们之前使用的读时拷贝效率高了非常多。

但写时拷贝也有一定的缺陷：C++的std::string的“读时也拷贝”技术！ | 酷 壳 - CoolShell。

谢谢你的阅读，喜欢的话来个点赞收藏评论关注吧！
我会持续更新更多优质文章

相关文章