C++ STL string 类从零实现详解

二、默认成员函数实现

2.1 无参构造函数

无参构造需要预留一个 '\0' 作为空字符的表示，初始化 _size 和 _capacity 为 0。

string() : _str(new char[1]{'\0'}), _size(0), _capacity(0) {}

这里需要注意，虽然 _size 是 0，但我们依然分配了一个字节的空间存放终止符，确保后续操作不会越界。

2.2 带参构造函数

带参构造时，我们先计算字符串长度，再分配内存。为了复用 strlen 结果，这里不推荐使用初始化列表。

string(const char* str) {
    if (str == nullptr) {
        str = "";
    }
    _size = strlen(str);
    _capacity = _size;
    _str = new char[_capacity + 1];
    strcpy(_str, str);
}

注意：_capacity 不包含 '\0'，所以实际开辟空间需加 1。

2.3 拷贝构造函数

实现拷贝构造前，必须明确深浅拷贝的区别。浅拷贝会导致两个对象共享同一块内存，析构时发生重复释放；深拷贝则独立分配资源。

传统写法：

string(const string& s) : _size(s._size), _capacity(s._size) {
    _str = new char[_capacity + 1];
    strcpy(_str, s._str);
}

这种方式逻辑直观，但每次赋值都需要手动管理资源。

现代写法（Copy-and-Swap）：

这种写法利用临时对象和交换操作，能更好地处理自我赋值和资源管理。

void swap(string& tmp) {
    std::swap(_str, tmp._str);
    std::swap(_size, tmp._size);
    std::swap(_capacity, tmp._capacity);
}

string(const string& s) {
    string tmp(s._str); // 调用带参构造创建临时对象
    swap(tmp);
}

原理是先生成一个临时的深拷贝对象 tmp，然后交换 this 和 tmp 的成员变量。函数结束时，tmp 析构，自动清理掉旧的内存，无需手动 delete。

2.4 赋值运算符重载

赋值运算符同样需要考虑深浅拷贝和自我赋值问题。

传统写法：

string& operator=(const string& other) {
    if (this == &other) {
        return *this;
    }
    delete[] _str;
    _str = new char[other._capacity + 1];
    strcpy(_str, other._str);
    _size = other._size;
    _capacity = other._capacity;
    return *this;
}

关键点在于先检查 self-assignment，再释放旧资源，最后深拷贝新资源。

现代写法（Copy-and-Swap）：

通过按值传递参数，编译器自动调用拷贝构造生成临时对象，再进行交换。

string& operator=(string tmp) {
    swap(tmp);
    return *this;
}

这里利用了参数 tmp 的生命周期。当函数返回时，tmp 被销毁，它持有的旧内存随之释放，既安全又简洁。

2.5 析构函数

析构函数负责释放动态分配的内存。

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

三、迭代器实现

迭代器本质上是字符指针。begin 返回首字符地址，end 返回最后一个字符后一个位置（即 '\0' 的地址）。

iterator begin() { return _str; }
iterator end() { return _str + _size; }
const_iterator begin() const { return _str; }
const_iterator end() const { return _str + _size; }

四、容量和大小相关函数

4.1 size 与 capacity

直接返回对应的成员变量即可。

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

4.2 reserve

reserve 用于预分配内存。只有当请求的大小超过当前 capacity 时才扩容，且只扩不缩。

void reserve(size_t n) {
    if (n > _capacity) {
        char* tmp = new char[n + 1];
        strcpy(tmp, _str);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
    }
}

五、字符串修改函数

5.1 push_back

尾插字符前需检查容量，不足则扩容。插入后记得补上 '\0'。

void push_back(char c) {
    if (_size == _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size++] = c;
    _str[_size] = '\0';
}

5.2 append

尾插字符串时，同样先判断是否需要扩容，规则类似 push_back。

void append(const char* s) {
    size_t len = strlen(s);
    if (len + _size > _capacity) {
        size_t newcapacity = (_size + len > _capacity * 2) ? _size + len : _capacity * 2;
        reserve(newcapacity);
    }
    strcpy(_str + _size, s);
    _size += len;
}

5.3 operator+=

直接复用 push_back 和 append 函数，保持代码一致性。

string& operator+=(char c) {
    push_back(c);
    return *this;
}
string& operator+=(const char* s) {
    append(s);
    return *this;
}

5.4 insert

插入操作涉及内存移动，需注意下标边界，防止 size_t 下溢。

插入字符：

void insert(size_t pos, char c) {
    assert(pos <= _size);
    if (_size == _capacity) {
        size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
        reserve(newcapacity);
    }
    size_t end = _size + 1;
    while (end > pos) {
        _str[end] = _str[end - 1];
        --end;
    }
    _str[pos] = c;
    _size++;
}

这里用 end > pos 代替 end >= pos，避免 pos=0 时 end 减到 0 后继续减导致整型下溢。

插入字符串：

void insert(size_t pos, const char* s) {
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(s);
    if (len == 0) return;
    if (len + _size > _capacity) {
        size_t newcapacity = len + _size > _capacity * 2 ? len + _size : _capacity * 2;
        reserve(newcapacity);
    }
    size_t end = _size + len;
    while (end > pos + len - 1) {
        _str[end] = _str[end - len];
        --end;
    }
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        _str[pos + i] = s[i];
    }
    _size += len;
}

5.5 erase

删除从 pos 开始的 len 个字符。若删除剩余所有字符，只需置位 '\0' 并更新 size。

void erase(size_t pos, size_t len) {
    assert(pos < _size);
    if (len >= _size - pos) {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    } else {
        size_t begin = pos + len;
        while (begin <= _size) {
            _str[begin - len] = _str[begin];
            ++begin;
        }
        _size -= len;
    }
}

5.6 substr

截取子串，注意处理 len 超出范围的情况。

string substr(size_t pos, size_t len) {
    assert(pos < _size);
    if (len >= _size - pos) {
        len = _size - pos;
    }
    string tmp;
    tmp.reserve(len);
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        tmp += _str[pos + i];
    }
    return tmp;
}

5.7 clear

清空内容，重置 size 和第一个字符。

void clear() {
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}

六、访问字符串相关函数

6.1 operator[]

支持下标访问，包含读写和只读两个版本。

char& operator[](size_t pos) {
    assert(pos < _size);
    return _str[pos];
}
const char& operator[](size_t pos) const {
    assert(pos < _size);
    return _str[pos];
}

6.2 find

查找字符或子串，失败返回 npos。

size_t find(char c, size_t pos = 0) const {
    assert(pos < _size);
    for (size_t i = pos; i < _size; i++) {
        if (_str[i] == c) {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}

size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const {
    assert(pos < _size);
    const char* ptr = strstr(_str, s);
    if (ptr != nullptr) {
        return ptr - _str;
    }
    return npos;
}

七、比较运算符重载

只需重载 < 和 ==，其余可通过组合实现。

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

八、字符串输入与输出

8.1 >> 运算符重载

输入时需跳过前导空白，遇到空白停止，并处理缓冲区溢出。

istream& operator>>(istream& in, string& s) {
    s.clear();
    const int N = 256;
    char buff[N] = { 0 };
    int i = 0;
    char ch = in.get();
    while (ch == ' ' || ch == '\n' || ch == '\t') {
        ch = in.get();
    }
    while (ch != ' ' && ch != '\n' && ch != '\t') {
        buff[i++] = ch;
        if (i == N - 1) {
            buff[i] = '\0';
            s += buff;
            i = 0;
        }
        ch = in.get();
    }
    if (i > 0) {
        buff[i] = '\0';
        s += buff;
    }
    return in;
}

8.2 << 运算符重载

遍历字符逐个输出。

ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
    for (auto ch : s) {
        out << ch;
    }
    return out;
}

至此，一个基础的 string 类实现完成。通过这个过程，我们可以更清晰地理解 C++ 容器背后的内存管理与资源控制逻辑。