C++ 深入理解：string 类的模拟实现与核心机制

深拷贝则是让每个对象都拥有一份独立的资源。父母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。对于涉及资源管理的类，必须显式提供拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数，遵循'三法则'。

模拟实现细节

构造与析构

构造函数负责分配内存并初始化。注意处理空指针的情况，同时多开一个字节存放结束符 \0。析构函数则负责释放内存并将指针置空，防止野指针。

class MyString {
public:
    MyString(const char* str = "") {
        _size = strlen(str);
        _capacity = _size;
        _str = new char[_capacity + 1];
        strcpy(_str, str);
    }

    ~MyString() {
        delete[] _str;
        _str = nullptr;
        _capacity = _size = 0;
    }
private:
    char* _str = nullptr;
    size_t _size = 0;
    size_t _capacity = 0;
};

拷贝构造与赋值

现代写法推荐使用交换法（Copy-and-Swap）。先创建一个临时对象，然后利用 swap 交换数据。这样既避免了重复代码，又利用了移动语义的效率（虽然这里是 C++98 风格，但思路通用）。

// 拷贝构造
MyString(const MyString& s) {
    MyString tmp(s._str); // 默认构造
    swap(tmp);            // 交换
}

// 赋值运算符重载
MyString& operator=(MyString tmp) {
    swap(tmp);
    return *this;
}

常用功能实现

clear 与 reserve

clear 只需将首字符设为 \0 并重置大小。reserve 用于预分配容量，避免频繁扩容带来的性能损耗。

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

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

push_back 与 append

添加字符或字符串前，先检查是否需要扩容。扩容策略通常是当前容量的两倍，或者至少满足需求。

void push_back(char ch) {
    if (_size == _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size] = ch;
    ++_size;
    _str[_size] = '\0';
}

void append(const char* str) {
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity) {
        reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
    }
    strcpy(_str + _size, str);
    _size += len;
}

insert 与 erase

插入操作需要移动后续元素腾出空间，擦除则需要覆盖前面的元素。注意边界条件，特别是 insert 时的索引计算。

void insert(size_t pos, const char* str) {
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity) {
        reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
    }
    size_t end = _size + len;
    while (end > pos + len - 1) {
        _str[end] = _str[end - len];
        --end;
    }
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
    _size += len;
}

find 与 substr

查找子串可以利用标准库的 strstr，截取子串则需重新分配内存并复制。

size_t find(const char* str, size_t pos) {
    assert(pos < _size);
    const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
    if (ptr == nullptr) return npos;
    else return ptr - _str;
}

string substr(size_t pos, size_t len) {
    assert(pos < _size);
    if (len > _size - pos) len = _size - pos;
    string sub;
    sub.reserve(len);
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        sub += _str[pos + i];
    }
    return sub;
}

比较运算符与流操作

比较运算符可以直接调用 strcmp。流插入和提取需要手动处理缓冲区，注意空格和换行的判断。

bool operator<(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}

ostream& operator<<(ostream& out, const MyString& s) {
    for (auto ch : s) {
        out << ch;
    }
    return out;
}

完整源码

为了方便大家参考，这里整理了一份完整的头文件与实现文件代码。

string.h

#pragma once
#include <iostream>
#include <assert.h>
#include <string.h>
using namespace std;

class MyString {
public:
    typedef char* iterator;
    iterator begin() { return _str; }
    iterator end() { return _str + _size; }
    typedef const char* const_iterator;
    const_iterator begin() const { return _str; }
    const_iterator end() const { return _str + _size; }

    size_t capacity() const { return _capacity; }
    void reserve(size_t n);
    void push_back(char ch);
    void append(const char* str);
    MyString& operator+=(char ch);
    MyString& operator+=(const char* str);
    void insert(size_t pos, char ch);
    void insert(size_t pos, const char* str);
    void erase(size_t pos, size_t len = npos);
    size_t find(char ch, size_t pos = 0);
    size_t find(const char* str, size_t pos = 0);
    MyString substr(size_t pos = 0, size_t len = npos);

    MyString(const char* str = "");
    MyString(const MyString& s);
    MyString& operator=(MyString tmp);
    void swap(MyString& s);
    ~MyString();
    void clear();
    const char* c_str() const { return _str; }
    size_t size() const { return _size; }
    char& operator[](size_t pos) {
        assert(pos < _size);
        return _str[pos];
    }
    const char& operator[](size_t pos) const {
        assert(pos < _size);
        return _str[pos];
    }

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

string.cpp

#include "string.h"

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

void MyString::push_back(char ch) {
    if (_size == _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    _str[_size] = ch;
    ++_size;
    _str[_size] = '\0';
}

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

void MyString::append(const char* str) {
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity) {
        reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
    }
    strcpy(_str + _size, str);
    _size += len;
}

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

void MyString::insert(size_t pos, char ch) {
    assert(pos <= _size);
    if (_size == _capacity) {
        reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);
    }
    size_t end = _size + 1;
    while (end > pos) {
        _str[end] = _str[end - 1];
        --end;
    }
    _str[pos] = ch;
    ++_size;
}

void MyString::insert(size_t pos, const char* str) {
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(str);
    if (_size + len > _capacity) {
        reserve(_size + len > _capacity * 2 ? _size + len : _capacity * 2);
    }
    size_t end = _size + len;
    if (len == 0) return;
    while (end > pos + len - 1) {
        _str[end] = _str[end - len];
        --end;
    }
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
    _size += len;
}

void MyString::erase(size_t pos, size_t len) {
    assert(pos < _size);
    if (len > _size - pos) {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    } else {
        for (size_t i = pos + len; i <= _size; i++) {
            _str[i - len] = _str[i];
        }
        _size -= len;
    }
}

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

size_t MyString::find(const char* str, size_t pos) {
    assert(pos < _size);
    const char* ptr = strstr(_str + pos, str);
    if (ptr == nullptr) return npos;
    else return ptr - _str;
}

MyString MyString::substr(size_t pos, size_t len) {
    assert(pos < _size);
    if (len > _size - pos) len = _size - pos;
    MyString sub;
    sub.reserve(len);
    for (size_t i = 0; i < len; ++i) {
        sub += _str[pos + i];
    }
    return sub;
}

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

MyString::~MyString() {
    delete[] _str;
    _str = nullptr;
    _capacity = _size = 0;
}

void MyString::clear() {
    _str[0] = '\0';
    _size = 0;
}

MyString::MyString(const char* str) {
    _size = strlen(str);
    _capacity = _size;
    _str = new char[_capacity + 1];
    strcpy(_str, str);
}

MyString::MyString(const MyString& s) {
    MyString tmp(s._str);
    swap(tmp);
}

MyString& MyString::operator=(MyString tmp) {
    swap(tmp);
    return *this;
}

bool operator<(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) < 0;
}

bool operator==(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return strcmp(s1.c_str(), s2.c_str()) == 0;
}

bool operator>(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return !(s1 < s2 || s1 == s2);
}

bool operator<=(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return s1 < s2 || s1 == s2;
}

bool operator>=(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return !(s1 < s2);
}

bool operator!=(const MyString& s1, const MyString& s2) {
    return !(s1 == s2);
}

ostream& operator<<(ostream& out, const MyString& s) {
    for (auto ch : s) {
        out << ch;
    }
    return out;
}

istream& operator>>(istream& in, MyString& s) {
    s.clear();
    const int N = 256;
    char buff[N];
    int i = 0;
    char ch;
    ch = in.get();
    while (ch != ' ' && ch != '\n') {
        buff[i++] = ch;
        if (i == N - 1) {
            buff[i] = '\0';
            s += buff;
            i = 0;
        }
        s += ch;
        ch = in.get();
        if (i > 0) {
            buff[i] = '\0';
            s += buff;
        }
    }
    return in;
}

以上代码涵盖了 string 类的主要功能。实际开发中，建议直接使用 STL 提供的 std::string，除非是为了学习底层原理或特殊场景需求。