C++ 标准库 string 类详解：接口、原理与模拟实现

string 类的常用接口

构造与容量操作

string 对象支持多种构造方式，包括空串、C 风格字符串拷贝、指定字符重复以及拷贝构造。

容量相关接口主要用于管理内存大小：

• size() / length()：返回有效字符长度，两者底层实现一致，建议统一用 size() 以保持与其他容器接口一致。
• capacity()：返回当前分配的总空间大小。
• empty()：检测是否为空串。
• clear()：清空有效字符，不释放底层空间。
• reserve()：预留空间，不改变有效元素个数。
• resize()：调整有效字符个数，多余部分用指定字符填充。

访问及遍历

• operator[]：通过下标访问字符，const 对象调用时需小心。
• begin() / end()：获取首尾迭代器。
• rbegin() / rend()：反向迭代器。
• 范围 for：最推荐的遍历方式。

修改操作

• push_back(c)：尾部追加字符。
• append(str)：追加字符串。
• operator+=：连接字符串或字符，使用频率最高。
• c_str()：返回 C 风格字符串指针，注意不要修改其内容。
• find() / rfind()：查找字符位置，未找到返回 npos。
• substr(pos, len)：截取子串。

提示：若预估字符串长度，可先调用 reserve 预留空间，避免多次扩容带来的性能损耗。push_back、append(1, c) 和 += 在尾部追加字符时效率相近。

非成员函数

• operator+：连接两个字符串，因涉及传值返回，可能产生深拷贝开销，慎用。
• operator>> / operator<<：输入输出流重载。
• getline(cin, str)：读取整行字符串，包含空格。
• 关系运算符：支持大小比较。

不同编译器下的底层结构

理解底层结构有助于优化性能。以下以 32 位平台为例（指针占 4 字节）。

VS 下的实现

VS 编译器下的 string 通常占用 28 字节。内部采用联合体设计：

• 短字符串（长度 < 16）：直接使用内部固定字符数组存放，无需堆分配，效率高。
• 长字符串（长度 >= 16）：从堆上开辟空间。

结构大致为：联合体（16 字节）+ 长度字段（4 字节）+ 容量字段（4 字节）+ 其他指针（4 字节）。这种设计兼顾了短字符串的性能和长字符串的灵活性。

g++ 下的实现

g++ 通常采用写时拷贝（Copy-On-Write, COW）机制。对象本身只占 4 字节，包含一个指向堆空间的指针。堆空间中存储实际数据及元信息：

• _M_length：有效长度
• _M_capacity：总容量
• _M_refcount：引用计数

当多个 string 对象共享同一块堆内存时，引用计数增加；销毁时减少，仅当计数为 1 时才真正释放资源。

string 类的模拟实现

面试中常要求手写 string 类，核心在于掌握构造、析构、拷贝构造和赋值运算符重载。

浅拷贝的问题

如果未显式定义拷贝构造函数，编译器会生成默认的浅拷贝版本。这意味着两个对象会共享同一块堆内存。当一个对象析构释放内存后，另一个对象再访问该内存就会导致崩溃（Double Free）。

深拷贝的实现

解决之道是实现深拷贝，确保每个对象拥有独立的资源。

传统写法

class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        if (nullptr == str) {
            assert(false);
            return;
        }
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

    String(const String& s) {
        _str = new char[strlen(s._str) + 1];
        strcpy(_str, s._str);
    }

    String& operator=(const String& s) {
        if (this != &s) {
            delete[] _str;
            _str = new char[strlen(s._str) + 1];
            strcpy(_str, s._str);
        }
        return *this;
    }

    ~String() {
        if (_str) {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }

private:
    char* _str;
};

现代写法（复制 - 交换）

利用临时对象和 swap 可以简化赋值逻辑，并提高异常安全性。

class String {
public:
    String(const char* str = "") {
        if (nullptr == str) {
            assert(false);
            return;
        }
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

    String(const String& s) {
        _str = new char[strlen(s._str) + 1];
        strcpy(_str, s._str);
    }

    String& operator=(String s) {
        swap(_str, s._str);
        return *this;
    }

    ~String() {
        if (_str) {
            delete[] _str;
            _str = nullptr;
        }
    }

private:
    char* _str;
};

写时拷贝（COW）

这是一种优化策略，在浅拷贝基础上增加引用计数。只有当需要修改数据时，才真正复制一份副本。这能显著减少不必要的内存分配，但也带来了线程安全等问题，现代 STL 实现多已弃用此方案。

总结

掌握 string 类不仅是为了日常开发，更是理解 C++ 内存管理和资源所有权的关键。通过对比不同编译器的实现差异，以及亲手模拟深拷贝与写时拷贝，我们能更深刻地体会 RAII 机制的价值。在实际项目中，优先使用标准库提供的接口，仅在特殊场景下考虑自定义实现。