C++ 入门：string 类详解与模拟实现

2. 容量操作

• size() / length(): 返回有效字符长度，两者底层原理一致。
• capacity(): 返回当前分配的总空间大小。
• empty(): 判断是否为空。
• clear(): 清空有效字符，但不释放底层空间（capacity 不变）。
• resize(n, c): 调整有效字符个数，超出部分用 c 填充。
• reserve(n): 预留空间，不改变有效字符数，仅当 n 大于当前 capacity 时扩容。

string s = "hello";
s.reserve(100);             // 预留空间，size 仍为 5
s.resize(10, 'x');          // helloxxxxx

3. 访问与遍历

• operator[]: 下标访问，可读写。
• begin() / end(): 获取迭代器，用于正向遍历。
• rbegin() / rend(): 反向迭代器。
• 范围 for: C++11 推荐方式。

string s = "Hello";
// 下标访问
s[0] = 'h';

// 迭代器遍历
for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
    cout << *it << " ";
}

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

4. 修改操作

• push_back(c): 尾插单个字符。
• append(str): 追加字符串。
• operator+=: 最常用的追加方式。
• c_str(): 返回 C 风格字符串指针，用于兼容旧接口。
• find(): 查找子串位置，未找到返回 string::npos。
• substr(pos, len): 截取子串。

string s = "Hello";
s.push_back('!');           // Hello!
s += " World";              // Hello! World
const char* cStr = s.c_str();
size_t pos = s.find("World");
string sub = s.substr(6, 5);

5. 非成员函数

• operator+: 连接字符串，注意传值返回可能涉及深拷贝，性能略低。
• operator>> / operator<<: 输入输出重载。
• getline(cin, s): 读取整行字符串（含空格）。
• 关系运算符：支持字典序比较。

三、string 结构差异

不同编译器下 string 内部结构略有不同，以 32 位平台为例：

• VS 编译器: 通常占用 28 字节。短字符串（<16 字符）使用内部缓冲（SSO），长字符串才分配堆内存。
• G++ 编译器: 早期版本常采用写时拷贝（COW）机制，对象本身较小，通过引用计数管理共享内存。

四、模拟实现与内存安全

面试中常要求手写 String 类，核心在于资源管理。

1. 浅拷贝与深拷贝

默认拷贝构造函数执行浅拷贝，即直接复制指针地址。这会导致析构时重复释放同一块内存，引发崩溃。

// 错误示例：浅拷贝
class String {
public:
    String(const char* str) {
        _str = new char[strlen(str) + 1];
        strcpy(_str, str);
    }
    ~String() { delete[] _str; }
private:
    char* _str;
};
// 测试
String s1("hello");
String s2(s1); // s2._str 指向与 s1 相同的地址

解决方案：手动实现深拷贝，为新对象分配独立内存。

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，并释放原有资源。

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 C++ 推荐使用拷贝交换惯用法，利用移动语义或临时对象减少开销。

3. 写时拷贝（Copy-on-Write, COW）

COW 是一种优化策略，结合了浅拷贝的速度和深拷贝的安全性。

• 读操作：共享内存，无额外开销。
• 写操作：触发时复制数据，确保互不影响。

应用场景：

• Linux fork() 系统调用：父子进程共享内存页，修改时才复制。
• Redis bgsave：子进程持久化时共享父进程内存视图。
• Java CopyOnWriteArrayList：读多写少场景下的线程安全 List。

五、总结

掌握 string 类不仅意味着会使用 API，更要理解其背后的内存管理机制。从浅拷贝陷阱到 COW 优化，这些知识点在面试和实际开发中都至关重要。建议结合源码阅读，深入体会标准库的设计思想。