C++ STL 详解：手写 String 类实现

成员变量说明：

• char* _str：用于存储字符串数据。
• size_t _size：记录当前字符串的有效长度（不包含 '\0'）。
• size_t _capacity：记录字符串当前的容量（不包含 '\0'）。
• static const size_t npos：静态成员变量，值为整型最大值，通常用作异常返回值。

迭代器说明：

• typedef char* iterator：普通迭代器，允许读写。
• typedef const char* const_iterator：常量迭代器，只读。

二、默认成员函数

2.1 无参构造函数

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

初始化时预留一个 '\0' 作为空字符表示。此时 _size 和 _capacity 均为 0，但实际分配了 1 字节空间存放终止符。

2.2 带参构造函数

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

注意：这里没有使用初始化列表，主要是为了复用 strlen 的计算结果。开辟空间时需额外加 1 以容纳 '\0'。

2.3 拷贝构造函数

在模拟实现前，需明确深浅拷贝的区别：浅拷贝会导致多个对象共享同一块内存，修改一处影响另一处；深拷贝则为每个对象独立分配资源。

传统写法：

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

为拷贝对象分配足够内存，复制内容，确保指针指向不同空间。

现代写法 (Copy-and-Swap)：

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);
}

利用按值传递参数自动触发深拷贝构造，生成临时对象 tmp，再通过 swap 交换资源。函数结束时 tmp 析构，自动释放原对象的旧内存，无需手动管理。

2.4 赋值运算符重载

同样需要考虑深浅拷贝及自我赋值问题。

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;
}

关键步骤：防范自我赋值、清理旧资源、深拷贝新资源、返回自身引用支持链式操作。

现代写法 (Copy-and-Swap)：

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

参数按值传递，编译器自动调用拷贝构造函数完成深拷贝。进入函数体后执行 swap，将新数据赋予当前对象，局部临时对象 tmp 在析构时清理旧内存。这种方式代码更简洁且异常安全。

2.5 析构函数

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

释放动态分配的内存并重置状态。

三、迭代器

迭代器本质是字符指针，iterator 只是类型别名。

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

begin 返回首字符地址，end 返回最后一个字符后的位置（即 '\0' 的地址）。

四、容量和大小相关函数

4.1 size 与 capacity

直接返回成员变量值，因私有属性无法直接访问。

size_t size() const { return _size; }
size_t capacity() const { return _capacity; }

4.2 reserve

当请求的容量超过当前 capacity 时进行扩容，否则保持不变。

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

一般只扩容不缩容，预留空间给 '\0'。

4.3 empty

判断字符串是否为空。

bool empty() const { return _size == 0; }

五、字符串修改函数

5.1 push_back

尾插字符，若空间不足则扩容。

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

插入字符后必须补充 '\0' 终止符，防止非法访问。

5.2 append

尾插字符串。

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;
}

待插入字符串本身包含 '\0'，无需额外添加。

5.3 operator+=

复用 push_back 和 append 实现。

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

5.4 insert

在指定位置插入字符或字符串。

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++;
}

注意 end 初始化为 _size + 1，避免头部插入时 0 - 1 导致 size_t 下溢死循环。

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;
}

先移动尾部字符腾出空间，再填入新字符串。

5.5 erase

删除从 pos 开始的 len 个字符。

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。

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

清空字符串。

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。

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

查找字符或字符串。

size_t find(char c, size_t pos) {
    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) {
    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

跳过前导空白，读取单词。

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;
}

使用缓冲数组减少频繁扩容，遇到空白字符停止。

8.2 << 运算符重载

遍历输出字符。

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