C++ STL String 类模拟实现详解

string 类——默认成员函数

构造函数、析构函数、拷贝构造、运算符重载。

在 string 类标准库里面有好几个版本的构造函数，这里模拟实现了其中两个。析构函数还是比较简单的，主要是拷贝构造函数有两个版本来实现。

// 初始化列表构造函数
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';
}

// 字符串构造函数
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
String::String(const String& s) {
    _str = new char[s._capacity + 1];
    strcpy(_str, s._str);
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}

// swap 函数
void String::swap(String& s) {
    std::swap(_str, s._str);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}

// 现代写法拷贝构造
String::String(const String& s) {
    String tmp(s._str); // 注意：实际应调用拷贝构造或构造函数
    swap(tmp);
}

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

下面就是运算符重载部分了。

// 赋值运算符重载
String& String::operator=(const String& s) {
    if (this != &s) {
        String tmp(s._str);
        swap(tmp);
    }
    return *this;
}

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

// 比较运算符重载
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);
}

string 类——常用函数接口

这里模拟实现一些 string 类的常用接口函数：reserve、push_back、append、insert、erase、find、substr 等接口，实现 string 的增删改查功能。

// reserve 函数 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;
    }
}

// push_back 尾插函数
void String::push_back(char ch) {
    if (_size + 1 > _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size] = ch;
    ++_size;
    _str[_size] = '\0';
}

// append 函数
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;
}

// insert 插入字符
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);
    }
    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;
}

// insert 插入字符串
void String::insert(size_t pos, const char* str) {
    size_t n = strlen(str);
    insert(pos, n, 'x'); // 复用逻辑
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
}

// erase 删除函数
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;
    }
}

// find 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;
}

// find 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;
    }
}

// substr 截取字符串
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;
}

string 类——输入输出重载

剩下最后一个有点麻烦但又还好的接口：重载输入流和输出流，另外还有 getline 这个函数。

// 输出函数
ostream& operator<<(ostream& out, const String& s) {
    for (auto ch : s) {
        out << ch;
    }
    return out;
}

// 输入函数
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 输入字符串
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;
}