动手实现 C++ 字符串类：从内存管理到运算符重载

npos 给无符号整数的最大值，这里直接用 -1 占位，反正 size_t 会把它转成超大数。

构造 / 析构 / 拷贝

标准库的构造重载很多，挑两个典型的：用 n 个字符初始化，以及 C 字符串初始化。前者得老老实实循环赋值；后者直接 strcpy，省事。

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';
}

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

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

拷贝构造需要深拷贝，下面先写个朴素的实现，顺便带个 swap。

string::string(const string& s) {
    _str = new char[s._capacity + 1];
    strcpy(_str, s._str);
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}

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

实际编码里更推荐 Copy-and-Swap 的变体，利用局部对象接管资源，异常安全而且代码更短。

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

clear 只是把第一个字节置零，看得见的大小也归零。

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

运算符重载

赋值直接复用 swap，检查自赋值是必须的。

string& string::operator=(const string& s) {
    if (this != &s) {
        string tmp(s._str);
        swap(tmp);
    }
    return *this;
}

下标访问要有断言，const 版本也一样。

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

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

比较运算符直接调用 strcmp，省事。注意小于比较别搞反顺序。

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);
}

容量与修改

扩容策略很常规：新空间按需增长，没用到 realloc，用的是 new + strcpy。

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

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

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;
}

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

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

插入操作稍微复杂一点：先确保容量，再把数据往后挪，最后填字符。插入字符串时偷个懒，先调用上面的 insert(pos, n, 'x') 占位，再覆盖成目标串。

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;
}

void string::insert(size_t pos, const char* str) {
    size_t n = strlen(str);
    insert(pos, n, 'x');
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        _str[pos + i] = str[i];
    }
}

删除分两种情况：全删后半段或者偏移覆盖。

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;
    }
}

查找与子串

find 字符版自己循环比较；find 字符串版直接拿 strstr 帮忙，返回指针差就行。

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;
}

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 需要临时 string，逐字追加。可以提前 reserve 一下避免反复分配。

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;
}

输入 / 输出

输出很直白，范围 for 逐字符吐出去。

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

输入用固定缓冲区，遇空格或换行停下。标准库的 >> 其实会跳过前导空白然后读到空白结束，这里模拟的是默认行为。

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 可以自定义分隔符，处理逻辑和 >> 类似，只是停止条件换成了分隔符。

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;
}

这样实现下来，对内存申请、异常安全、代码复用都会有一个比较具体的认识。实际的 STL 实现还会做短字符串优化（SSO）甚至 Copy-On-Write，但这个模型已经足够理清核心行为了。