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C++标准库中的std::string类是一个非常强大的工具，用于处理字符串。它提供了丰富的成员函数和操作符，使得字符串的处理变得简单而高效。本文将深入探讨std::string类中部分成员函数的实现原理，帮助读者更好地理解和使用这个类。
std::string的基本结构在深入探讨成员函数的实现之前，我们先了解一下std::string的基本结构。std::string是一个模板类，定义在<string>头文件中。它的基本结构如下：
template<class CharT, class Traits = std::char_traits<CharT>, class Allocator = std::allocator<CharT>>
class basic_string {
// 成员变量和成员函数
};
typedef basic_string<char> string;
std::string实际上是basic_string<char>的别名。basic_string模板类有三个模板参数：
CharT：字符类型，通常为char。Traits：字符特性类，通常为std::char_traits<CharT>。Allocator：内存分配器，通常为std::allocator<CharT>。std::string的构造函数std::string提供了多个构造函数，用于从不同的数据源创建字符串对象。以下是几个常见的构造函数及其实现原理。
默认构造函数创建一个空的字符串对象。
basic_string() noexcept(noexcept(Allocator())) : basic_string(Allocator()) {}
这个构造函数简单地调用了一个接受分配器参数的构造函数，传递了一个默认的分配器对象。
这个构造函数从C风格字符串（即以\0结尾的字符数组）创建一个std::string对象。
basic_string(const CharT* s, const Allocator& alloc = Allocator())
: basic_string(s, Traits::length(s), alloc) {}
这个构造函数调用了另一个构造函数，传递了C风格字符串、字符串长度和分配器对象。Traits::length(s)用于计算C风格字符串的长度。
这个构造函数从字符数组创建一个std::string对象。
basic_string(const CharT* s, size_type count, const Allocator& alloc = Allocator())
: alloc_(alloc) {
data_ = alloc_.allocate(count + 1);
Traits::copy(data_, s, count);
data_[count] = CharT();
size_ = count;
capacity_ = count;
}
这个构造函数首先分配足够的内存来存储字符数组和终止符\0，然后使用Traits::copy将字符数组复制到分配的内存中，最后设置字符串的大小和容量。
std::string的析构函数std::string的析构函数负责释放字符串对象占用的内存。
~basic_string() {
if (data_) {
alloc_.deallocate(data_, capacity_ + 1);
}
}
析构函数首先检查data_指针是否为空，如果不为空，则调用分配器的deallocate函数释放内存。
std::string的赋值操作符std::string提供了多个赋值操作符，用于从不同的数据源赋值给字符串对象。
这个赋值操作符从C风格字符串赋值给std::string对象。
basic_string& operator=(const CharT* s) {
return assign(s, Traits::length(s));
}
这个操作符调用了assign函数，传递了C风格字符串和字符串长度。
这个赋值操作符从字符数组赋值给std::string对象。
basic_string& operator=(const CharT* s, size_type count) {
return assign(s, count);
}
这个操作符调用了assign函数，传递了字符数组和字符数量。
std::string的assign函数assign函数用于将字符串对象的内容替换为指定的内容。以下是几个常见的assign函数及其实现原理。
basic_string& assign(const CharT* s, size_type count) {
if (count > capacity_) {
reserve(count);
}
Traits::copy(data_, s, count);
data_[count] = CharT();
size_ = count;
return *this;
}
这个assign函数首先检查是否需要重新分配内存，然后使用Traits::copy将字符数组复制到字符串对象的内存中，最后设置字符串的大小。
basic_string& assign(const CharT* s, size_type count) {
if (count > capacity_) {
reserve(count);
}
Traits::copy(data_, s, count);
data_[count] = CharT();
size_ = count;
return *this;
}
这个assign函数的实现与上一个类似，只是参数类型不同。
std::string的append函数append函数用于在字符串的末尾追加内容。以下是几个常见的append函数及其实现原理。
basic_string& append(const CharT* s, size_type count) {
if (size_ + count > capacity_) {
reserve(size_ + count);
}
Traits::copy(data_ + size_, s, count);
size_ += count;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个append函数首先检查是否需要重新分配内存，然后使用Traits::copy将字符数组复制到字符串对象的末尾，最后更新字符串的大小。
basic_string& append(const CharT* s, size_type count) {
if (size_ + count > capacity_) {
reserve(size_ + count);
}
Traits::copy(data_ + size_, s, count);
size_ += count;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个append函数的实现与上一个类似，只是参数类型不同。
std::string的reserve函数reserve函数用于预留足够的内存以存储指定数量的字符。
void reserve(size_type new_cap) {
if (new_cap > capacity_) {
CharT* new_data = alloc_.allocate(new_cap + 1);
Traits::copy(new_data, data_, size_);
new_data[size_] = CharT();
if (data_) {
alloc_.deallocate(data_, capacity_ + 1);
}
data_ = new_data;
capacity_ = new_cap;
}
}
这个reserve函数首先检查是否需要重新分配内存，然后分配新的内存，复制原有数据到新内存中，最后释放旧内存并更新容量。
std::string的resize函数resize函数用于调整字符串的大小。
void resize(size_type count, CharT ch = CharT()) {
if (count > size_) {
if (count > capacity_) {
reserve(count);
}
Traits::assign(data_ + size_, count - size_, ch);
size_ = count;
data_[size_] = CharT();
} else if (count < size_) {
size_ = count;
data_[size_] = CharT();
}
}
这个resize函数首先检查是否需要扩展或缩小字符串，然后根据需要分配内存或截断字符串，最后更新字符串的大小。
std::string的clear函数clear函数用于清空字符串的内容。
void clear() noexcept {
size_ = 0;
data_[0] = CharT();
}
这个clear函数简单地将字符串的大小设置为0，并在字符串的开头放置一个终止符\0。
std::string的empty函数empty函数用于检查字符串是否为空。
bool empty() const noexcept {
return size_ == 0;
}
这个empty函数简单地检查字符串的大小是否为0。
std::string的size和length函数size和length函数用于获取字符串的大小。
size_type size() const noexcept {
return size_;
}
size_type length() const noexcept {
return size_;
}
这两个函数都返回字符串的大小。
std::string的capacity函数capacity函数用于获取字符串的容量。
size_type capacity() const noexcept {
return capacity_;
}
这个函数返回字符串的容量。
std::string的c_str函数c_str函数用于获取字符串的C风格表示。
const CharT* c_str() const noexcept {
return data_;
}
这个函数返回字符串的内部字符数组指针。
std::string的data函数data函数用于获取字符串的字符数组指针。
const CharT* data() const noexcept {
return data_;
}
这个函数返回字符串的内部字符数组指针。
std::string的operator[]函数operator[]函数用于访问字符串中的字符。
CharT& operator[](size_type pos) {
return data_[pos];
}
const CharT& operator[](size_type pos) const {
return data_[pos];
}
这个函数返回字符串中指定位置的字符引用。
std::string的at函数at函数用于访问字符串中的字符，并进行边界检查。
CharT& at(size_type pos) {
if (pos >= size_) {
throw std::out_of_range("std::string::at");
}
return data_[pos];
}
const CharT& at(size_type pos) const {
if (pos >= size_) {
throw std::out_of_range("std::string::at");
}
return data_[pos];
}
这个函数在访问字符之前检查位置是否越界，如果越界则抛出std::out_of_range异常。
std::string的front和back函数front和back函数用于访问字符串的第一个和最后一个字符。
CharT& front() {
return data_[0];
}
const CharT& front() const {
return data_[0];
}
CharT& back() {
return data_[size_ - 1];
}
const CharT& back() const {
return data_[size_ - 1];
}
这两个函数分别返回字符串的第一个和最后一个字符的引用。
std::string的push_back函数push_back函数用于在字符串的末尾追加一个字符。
void push_back(CharT ch) {
if (size_ == capacity_) {
reserve(capacity_ * 2);
}
data_[size_] = ch;
size_++;
data_[size_] = CharT();
}
这个函数首先检查是否需要重新分配内存，然后在字符串的末尾追加字符，并更新字符串的大小。
std::string的pop_back函数pop_back函数用于删除字符串的最后一个字符。
void pop_back() {
if (size_ > 0) {
size_--;
data_[size_] = CharT();
}
}
这个函数首先检查字符串是否为空，然后删除最后一个字符，并更新字符串的大小。
std::string的insert函数insert函数用于在字符串的指定位置插入内容。以下是几个常见的insert函数及其实现原理。
basic_string& insert(size_type index, size_type count, CharT ch) {
if (index > size_) {
throw std::out_of_range("std::string::insert");
}
if (size_ + count > capacity_) {
reserve(size_ + count);
}
Traits::move(data_ + index + count, data_ + index, size_ - index);
Traits::assign(data_ + index, count, ch);
size_ += count;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个insert函数首先检查插入位置是否越界，然后检查是否需要重新分配内存，接着移动插入位置后的字符，最后插入指定数量的字符，并更新字符串的大小。
basic_string& insert(size_type index, const CharT* s, size_type count) {
if (index > size_) {
throw std::out_of_range("std::string::insert");
}
if (size_ + count > capacity_) {
reserve(size_ + count);
}
Traits::move(data_ + index + count, data_ + index, size_ - index);
Traits::copy(data_ + index, s, count);
size_ += count;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个insert函数的实现与上一个类似，只是插入的内容是C风格字符串。
std::string的erase函数erase函数用于删除字符串中的部分内容。以下是几个常见的erase函数及其实现原理。
basic_string& erase(size_type index = 0, size_type count = npos) {
if (index > size_) {
throw std::out_of_range("std::string::erase");
}
if (count == npos || index + count > size_) {
count = size_ - index;
}
Traits::move(data_ + index, data_ + index + count, size_ - index - count);
size_ -= count;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个erase函数首先检查删除位置是否越界，然后计算实际删除的字符数量，接着移动删除位置后的字符，最后更新字符串的大小。
iterator erase(const_iterator position) {
size_type index = position - begin();
erase(index, 1);
return begin() + index;
}
这个erase函数首先计算删除位置的索引，然后调用上一个erase函数删除指定位置的字符，最后返回删除后的迭代器。
std::string的replace函数replace函数用于替换字符串中的部分内容。以下是几个常见的replace函数及其实现原理。
basic_string& replace(size_type pos, size_type count, const CharT* s, size_type count2) {
if (pos > size_) {
throw std::out_of_range("std::string::replace");
}
if (count == npos || pos + count > size_) {
count = size_ - pos;
}
size_type new_size = size_ - count + count2;
if (new_size > capacity_) {
reserve(new_size);
}
Traits::move(data_ + pos + count2, data_ + pos + count, size_ - pos - count);
Traits::copy(data_ + pos, s, count2);
size_ = new_size;
data_[size_] = CharT();
return *this;
}
这个replace函数首先检查替换位置是否越界，然后计算实际替换的字符数量，接着移动替换位置后的字符，最后复制新的内容到替换位置，并更新字符串的大小。
basic_string& replace(size_type pos, size_type count, const CharT* s) {
return replace(pos, count, s, Traits::length(s));
}
这个replace函数调用了上一个replace函数，传递了C风格字符串和字符串长度。
std::string的substr函数substr函数用于获取字符串的子串。
basic_string substr(size_type pos = 0, size_type count = npos) const {
if (pos > size_) {
throw std::out_of_range("std::string::substr");
}
if (count == npos || pos + count > size_) {
count = size_ - pos;
}
return basic_string(data_ + pos, count);
}
这个substr函数首先检查子串的起始位置是否越界，然后计算子串的长度，最后创建一个新的std::string对象并返回。
std::string的find函数find函数用于在字符串中查找子串或字符。以下是几个常见的find函数及其实现原理。
size_type find(const CharT* s, size_type pos = 0) const {
return find(s, pos, Traits::length(s));
}
size_type find(const CharT* s, size_type pos, size_type count) const {
if (pos > size_) {
return npos;
}
if (count == 0) {
return pos;
}
for (size_type i = pos; i <= size_ - count; ++i) {
if (Traits::compare(data_ + i, s, count) == 0) {
return i;
}
}
return npos;
}
这个find函数首先检查查找位置是否越界，然后遍历字符串，使用Traits::compare比较子串，如果找到匹配的子串则返回其位置，否则返回npos。
size_type find(CharT ch, size_type pos = 0) const {
if (pos > size_) {
return npos;
}
for (size_type i = pos; i < size_; ++i) {
if (Traits::eq(data_[i], ch)) {
return i;
}
}
return npos;
}
这个find函数首先检查查找位置是否越界，然后遍历字符串，使用Traits::eq比较字符，如果找到匹配的字符则返回其位置，否则返回npos。
std::string的rfind函数rfind函数用于在字符串中从后向前查找子串或字符。以下是几个常见的
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