C++ 标准库 string 类详解：接口、模拟实现与写时拷贝

若需修改元素，建议使用引用：

for (auto& e : arr) e *= 2;

2.2 string 类的常用接口

1）构造方式

string s1;                  // 空串
string s2("Hello World");   // C-string 构造
string s3(10, '*');         // 10 个星号
string s4(s2);              // 拷贝构造

2）容量操作

注意事项：

• size() 与 length() 原理相同，为了兼容不同容器接口而提供两个名字。
• clear() 仅重置有效长度，底层分配的空间（capacity）通常保留，避免频繁申请释放。
• resize(n, c) 若 n 大于当前大小，会用字符 c 填充；若小于则截断。
• reserve(n) 仅在 n 大于当前 capacity 时扩容，否则无操作。

3）访问及遍历操作

支持下标访问、迭代器遍历及反向迭代器。

string s = "Hello";
s[0] = 'h';  // 修改首字母

// 正向迭代器
for (string::iterator it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

// 反向迭代器
for (string::reverse_iterator rit = s.rbegin(); rit != s.rend(); ++rit) {
    cout << *rit << " ";
}

// 范围 for
for (char c : s) {
    cout << c << " ";
}

4）修改操作

string s = "Hello";
s.push_back('!');           // Hello!
s += " to C++";             // Hello! to C++
const char* cStr = s.c_str();
size_t pos = s.find("to");
string sub = s.substr(7, 7);

5）非成员函数

包括输入输出流重载 >>, << 以及比较运算符。

string name;
girl(cin, name);            // 读取整行
if (str1 < str2) { ... }    // 字典序比较

6）VS 与 G++ 下结构差异

不同编译器对 string 的实现略有不同，主要涉及 SSO（Short String Optimization）策略。

• VS 环境：小字符串（如长度<16）存储在对象内部，大字符串才分配堆内存。32 位下通常占 28 字节。
• G++ 环境：早期版本可能采用写时拷贝（COW），现代 GCC 多采用类似 SSO 或直接堆分配。对象大小通常为 3 个指针大小（24 字节或 32 字节）。

2.3 string 类的模拟实现

面试中常要求手写 String 类，重点考察资源管理。

1）浅拷贝与深拷贝问题

默认拷贝构造函数执行浅拷贝，导致多个对象共享同一块堆内存，析构时会发生重复释放（Double Free）崩溃。

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

修复方案是实现深拷贝的拷贝构造函数：

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

2）赋值运算符重载

需处理自赋值情况，并释放旧资源。

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

现代写法常利用拷贝交换原则（Copy-and-Swap）提高效率：

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

3）写时拷贝（COW）机制

COW 是一种优化策略，读操作共享内存，写操作时才真正复制数据。

• 原理：初始状态多个对象指向同一内存页，权限设为只读。写入时触发缺页异常，内核分配新页并复制数据。
• 应用场景：
  • Linux fork()：父子进程共享内存，仅修改时复制。
  • Redis bgsave：子进程持久化时共享父进程内存视图。
  • Java CopyOnWriteArrayList：读写分离场景下的线程安全列表。
• 优缺点：节省内存，但写操作可能带来延迟抖动。

2.4 面试中的正确写法

实现 String 类应满足以下要求：

1. 支持基本赋值与复制。
2. 可作为函数参数及返回值。
3. 可用作 STL 容器（如 vector）的元素类型。

关键点在于正确处理内存生命周期，遵循 Rule of Three/Five（析构、拷贝构造、赋值、移动构造、移动赋值）。

2.5 STL 中的 string 类现状

现代 C++ 标准库中的 string 已高度优化，多数实现不再依赖传统的 COW，而是结合 SSO 和智能指针管理，确保异常安全和性能平衡。开发者应优先使用标准库，仅在特定场景下考虑自定义实现。

本文涵盖了 string 类的核心接口、底层实现机制及常见面试题解法。理解其背后的内存管理逻辑，有助于编写更高效、安全的 C++ 代码。