C++ STL String 类模拟实现详解

引言

此前我们探讨过 String 类的基础接口，也通过 OJ 题目熟悉了常用函数。今天我们来深入底层，模拟实现一下 String 类。这不仅能巩固 C++ 内存管理知识，还能理解 STL 容器背后的设计思想。

String 类的模拟实现

String 类在 STL 库出现之前就已存在，其接口设计对后续标准库影响深远。相比传统数据结构，它引入了迭代器等机制，更好地耦合了算法与对象。

迭代器与成员变量

我们先从迭代器入手，这是访问容器的核心方式。

class string {
public:
    typedef char* iterator;
    typedef const char* const_iterator;

    const char* c_str() const { return _str; }
    
    iterator begin() { return _str; }
    iterator end() { return _str + _size; }
    
    // const 版本，处理 const 修饰的对象时避免权限放大
    const_iterator begin() const { return _str; }
    const_iterator end() const { return _str + _size; }
    
    size_t size() const { return _size; }
    size_t capacity() const { return _capacity; }

private:
    char* _str = nullptr;
    size_t _size = 0;
    size_t _capacity = 0;
    static const size_t npos = -1;
};

注意 npos 通常定义为无符号整数的最大值，用于表示查找失败。这里为了简化直接初始化为 -1。

默认成员函数

构造函数、析构函数、拷贝构造和运算符重载是重点。标准库中有多个版本的构造函数，这里模拟了两个典型场景。

// 初始化 n 个字符 ch
string::string(size_t n, char ch) : _str(new char[n + 1]), _size(n), _capacity(n) {
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _str[i] = ch;
    }
    _str[_size] = '\0';
}

// 字符串初始化
string::string(const char* str) : _size(strlen(str)) {
    _capacity = _size;
    _str = new char[_size + 1];
    strcpy(_str, str);
}

// 析构函数
string::~string() {
    delete[] _str;
    _str = nullptr;
    _size = 0;
    _capacity = 0;
}

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

// swap 函数：用于交换资源，提高效率
void string::swap(string& s) {
    std::swap(_str, s._str);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}

// 现代写法：利用 swap 实现拷贝构造（Copy-and-Swap 惯用法的变体）
string::string(const string& s) {
    string tmp(s._str); // 临时对象
    swap(tmp);
}

// 销毁内容
void clear() {
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}

接下来是运算符重载部分，包括赋值、下标访问和比较运算。

// 赋值运算符重载：使用 Copy-and-Swap 保证异常安全
string& string::operator=(const string& s) {
    if (this != &s) {
        string tmp(s._str);
        swap(tmp);
    }
    return *this;
}

// [] 重载：非 const 版本
char& operator[](size_t pos) {
    assert(pos < _size);
    return _str[pos];
}

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

// 比较运算符
bool string::operator==(const string& s) const {
    return strcmp(_str, s._str) == 0;
}

bool string::operator!=(const string& s) const {
    return !(*this == s);
}

bool string::operator<(const string& s) const {
    return strcmp(_str, s._str) < 0;
}

bool string::operator<=(const string& s) const {
    return *this < s || *this == s;
}

bool string::operator>(const string& s) const {
    return !(*this <= s);
}

bool string::operator>=(const string& s) const {
    return !(*this < s);
}

常用函数接口

这里实现增删改查的核心逻辑，包括 reserve、push_back、append、insert、erase、find、substr 等。

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

// 尾插单个字符
void string::push_back(char ch) {
    if (_size + 1 > _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size] = ch;
    ++_size;
    _str[_size] = '\0';
}

// 追加字符串
void string::append(const char* str) {
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity) {
        size_t newCapacity = 2 * _capacity;
        if (_size + len > 2 * _capacity) {
            newCapacity = _size + len;
        }
        reserve(newCapacity);
    }
    strcpy(_str + _size, str);
    _size += len;
}

// += 重载
string& string::operator+=(char ch) {
    push_back(ch);
    return *this;
}

string& string::operator+=(const char* str) {
    append(str);
    return *this;
}

// 插入 n 个字符
void string::insert(size_t pos, size_t n, char ch) {
    assert(pos <= _size);
    assert(n > 0);
    if (_size + n > _capacity) {
        size_t newCapacity = 2 * _capacity;
        if (_size + n > 2 * _capacity) {
            newCapacity = _size + n;
        }
        reserve(newCapacity);
    }
    // 数据后移
    size_t end = _size + n;
    while (end > pos + n - 1) {
        _str[end] = _str[end - n];
        --end;
    }
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _str[pos + i] = ch;
    }
    _size += n;
}

// 插入字符串
void string::insert(size_t pos, const char* str) {
    size_t n = strlen(str);
    insert(pos, n, 'x'); // 复用上面的逻辑先占位
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
}

// 删除指定位置长度为 len 的字符串
void string::erase(size_t pos, size_t len) {
    if (len >= _size - pos) {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    } else {
        size_t end = pos + len;
        while (end <= _size) {
            _str[end - len] = _str[end];
            ++end;
        }
        _size -= len;
    }
}

// 查找字符
size_t string::find(char ch, size_t pos) {
    for (size_t i = pos; i < _size; i++) {
        if (_str[i] == ch) {
            return i;
        }
    }
    return npos;
}

// 查找字符串
size_t string::find(const char* str, size_t pos) {
    const char* p = strstr(_str + pos, str);
    if (p == nullptr) {
        return npos;
    } else {
        return p - _str;
    }
}

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

输入输出重载

最后处理流操作符重载，包括 <<、>> 以及 getline。

// 输出流重载
ostream& operator<<(ostream& out, const string& s) {
    for (auto ch : s) {
        out << ch;
    }
    return out;
}

// 输入流重载
istream& operator>>(istream& in, string& s) {
    s.clear();
    const size_t N = 1024;
    char buff[N];
    int i = 0;
    char ch = in.get();
    while (ch != ' ' && ch != '\n') {
        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;
}

// getline 输入直到指定分隔符
istream& getline(istream& in, string& s, char delim) {
    s.clear();
    const size_t N = 1024;
    char buff[N];
    int i = 0;
    char ch = in.get();
    while (ch != delim) {
        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;
}

总结

通过手写 String 类，我们重新审视了内存分配、深拷贝与浅拷贝的区别，以及 Copy-and-Swap 惯用法在赋值操作中的优势。同时，对扩容策略、边界检查以及类型安全的细节有了更深的体会。代码复用和逻辑优化是提升质量的关键，比如利用已有的 insert 逻辑来简化字符串插入的实现。在模仿中优化，在实战中学习，这才是掌握底层原理的正道。