【C++】string的使用与模拟实现

苏兮

发布于 2026-01-13 17:40:38

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string的使用与模拟实现

✨前言：string 是 C++ 中最常用的类之一，但你真的了解它的底层实现吗？本文将带你快速掌握 string 的核心用法，并深入模拟实现其关键功能，理解深浅拷贝等核心概念。 📖专栏：【C++成长之旅】

一、标准库中的string类

首先，对于string类的学习我们也可以参考：【string类文档介绍】然后，在此之前，我们在这里学习2个C++11的小语法，方便我们后面的学习：

1.1 auto和范围for

auto关键字

在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，后来这个不重要了。C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期推导而得。

int main()
{
	int a = 10;
	auto b = a;
	auto c = 'a';
	return 0;
}

用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&；

int main()
{
	int x = 10;
	auto y = &x;
	auto* z = &x;
	auto& m = x;
	return 0;
}

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

int main()
{
	//编译报错：error C3538: 在声明符列表中，“auto”必须始终推导为同一类型
	auto cc = 3, dd = 4.0;
	return 0;
}

auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用

// 不能做参数
void func2(auto a)
{
}
// 可以做返回值，但是建议谨慎使用
auto func3()
{
	return 3;
}

auto不能直接用来声明数组

int main()
{
	//编译报错：error C3318: “auto []”: 数组不能具有其中包含“auto”的元素类型
	auto array[] = { 4, 5, 6 };
	return 0;
}

int main()
{
	// 编译报错:rror C3531: “e”: 类型包含“auto”的符号必须具有初始值设定项,不然无法推导
	auto e;
	return 0;
}

范围for

对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器。

对于迭代器简单解释一下：

我们可以把迭代器在行为上看做是指针（因为它模拟指针的用法），但实际上它的实现不一定是指针，而是一个为了统一遍历各种数据结构而设计的抽象工具。

其实这种“统一接口”的特性，正是C++ STL（标准模板库）的基石。（慢慢体会）

#include<iostream>
#include <string>
using namespace std;
int main()
{
	int array[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	// C++98的遍历
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
	{
		array[i] *= 2;
	}
	for (int i = 0; i < sizeof(array) / sizeof(array[0]); ++i)
	{
		cout << array[i] << endl;
	}
	// C++11的遍历
	for (auto& e : array)
		e *= 2;
	for (auto e : array)
		cout << e << " " << endl;
	string str("hello world");//用"hello world"构造了一个string
	for (auto ch : str)
	{
		cout << ch << " ";
	}
	cout << endl;
	return 0;
}

有了上面两个的基础，我们在C++中遍历容器就比较方便。

1.2 string类的常用接口说明

对于string类我只讲解最常用的接口，因为各种原因导致string类有些冗余。

string类对象的常见构造

函数名称	功能说明
string() (重点)	构造空的 string 类对象，即空字符串
string(const char* s) (重点)	用 C-string 来构造 string 类对象
string(size_t n, char c)	string 类对象中包含 n 个字符 c
string(const string& s) (重点)	拷贝构造函数

void test()
{
    string s1;              // 构造空的 string 类对象 s1
    string s2("hello world"); // 用 C 格式字符串构造 string 类对象 s2
    string s3(s2);          // 拷贝构造 s3
}

string类对象的容量操作

函数名称	功能说明
size (重点)	返回字符串有效字符长度
length	返回字符串有效字符长度
capacity	返回空间总大小
empty (重点)	检测字符串是否为空串，是返回 true，否则返回 false
clear (重点)	清空有效字符
reserve (重点)	为字符串预留空间**
resize (重点)	将有效字符的个数改成 n 个，多出的空间用字符填充

说明： size()与length()：方法底层实现原理完全相同，引入size()的原因是为了与其他容器的接口保持一致，一般情况下基本都是用size()。 clear()： 只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。 resize(size_t n) 与 resize(size_t n, char c)：都是将字符串中有效字符个数改变到n个，不同的是当字符个数增多时：resize(n)用0来填充多出的元素空间，resize(size_t n, char c)用字符c来填充多出的元素空间。注意：resize在改变元素个数时，如果是将元素个数增多，可能会改变底层容量的大小，如果是将元素个数减少，底层空间总大小不变。 reserve(size_t res_arg=0)： 为string预留空间，不改变有效元素个数，但是reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver会不会缩容是不确定的。我们来看官方说法：

不确定的，也就是说reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserver会不会缩容是不确定的。但是：

此函数不会影响字符串长度，也无法修改其内容。其实可以看出来reserve()函数还是很温柔的，它只是建议保留n个空间。

string类对象的访问及遍历操作

函数名称	功能说明
operator[] (重点)	返回 pos 位置的字符，const string 类对象调用
begin + end	begin 获取第一个字符的迭代器，end 获取最后一个字符下一个位置的迭代器（左闭右开）
rbegin + rend	rbegin 获取最后一个字符的迭代器，rend 获取第一个字符前一个位置的迭代器
范围for (C++11)	C++11 支持更简洁的范围 for 的新遍历方式

#include<string>
#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{
    string str = "hello world";

    // 1. operator[] 访问
    for (size_t i = 0; i < str.size(); ++i)
    {
        cout << str[i] << " ";
    }
    cout << endl;

    // 2. 迭代器遍历
    for (auto it = str.begin(); it != str.end(); ++it)
    {
        cout << *it << " ";
    }
    cout << endl;

    // 3. 反向迭代器遍历
    for (auto rit = str.rbegin(); rit != str.rend(); ++rit)
    {
        cout << *rit << " ";
    }
    cout << endl;

    // 4. 范围for遍历 (C++11)
    for (char ch : str)
    {
        cout << ch << " ";
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

string类对象的修改操作

函数名称	功能说明
push_back	在字符串后尾插字符 c
append	在字符串后追加一个字符串
operator+= (重点)	在字符串后追加字符串 str
c_str (重点)	返回 C 格式字符串 (const char* 类型)
find + npos (重点)	从字符串 pos 位置开始往后找字符 c，返回该字符在字符串中的位置
rfind	从字符串 pos 位置开始往前找字符 c，返回该字符在字符串中的位置
substr	在 str 中从 pos 位置开始，截取 n 个字符，然后将其返回

std::string str = "hello";

// 1. push_back - 尾插字符
str.push_back('!');  // str becomes "hello!"

// 2. append - 追加字符串
str.append(" world");  // str becomes "hello! world"

// 3. operator+= - 追加字符串（更常用）
str += " C++";  // str becomes "hello! world C++"

// 4. c_str - 返回C格式字符串
const char* cstr = str.c_str();  // 可用于C语言接口

// 5. find - 查找字符/字符串
size_t pos = str.find('o');  // 返回第一个'o'的位置
if (pos != std::string::npos) 
{  // npos表示未找到
    std::cout << "Found at: " << pos << std::endl;
}

// 6. rfind - 反向查找
size_t rpos = str.rfind('o');  // 从后往前找第一个'o'

// 7. substr - 截取子串
std::string sub = str.substr(0, 5);  // 截取前5个字符："hello"

对于npos解释：

它的字面意思是 “not a position” 或 “no position”，用于表示无效的或未找到的位置。由于 size_t 是无符号类型，-1 会变成该类型能表示的最大值,即0xFFFFFFFF，我们的string的大小不可能是npos，就用npos表示无效的或未找到的位置简单来说，npos 就是一个官方定义的、用来判断字符串查找操作是否成功的“失败标志”。

注意（习惯）：

在string尾部追加字符时，s.push_back© / s.append(1, c) / s += 'c’三种的实现方式差不多，一般情况下string类的+=操作用的比较多，+=操作不仅可以连接单个字符，还可以连接字符串。
对string操作时，如果能够大概预估到放多少字符，可以先通过reserve把空间预留好。
string类非成员函数

函数名称	功能说明
operator+	字符串拼接，但尽量少用，因为传值返回导致深拷贝，效率低
operator>> (重点)	输入运算符重载（用于从流中提取字符串）
operator<< (重点)	输出运算符重载（用于将字符串插入到流中）
getline (重点)	获取一行字符串（可指定分隔符）
relational operators (重点)	大小比较（包括 ==, !=, <, <=, >, >= 等）

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    string s1 = "Hello";
    string s2 = "World";

    // 1. operator+ (不推荐频繁使用)
    string s3 = s1 + " " + s2; // 产生临时对象，深拷贝效率低
    cout << s3 << endl; // Output: Hello World

    // 2. operator>> 输入
    string input;
    cout << "Please enter a string: ";
    cin >> input; // 遇到空格停止
    cout << "You entered: " << input << endl;

    // 3. operator<< 输出
    cout << s1 << " " << s2 << endl; // Output: Hello World

    // 4. getline 获取一行（推荐）
    cin.ignore(); // 清除输入缓冲区
    cout << "Please enter a line: ";
    getline(cin, input); // 读取整行，包括空格
    cout << "You entered: " << input << endl;

    // 5. relational operators 比较
    if (s1 == s2) {
        cout << "Strings are equal" << endl;
    } else if (s1 < s2) {
        cout << s1 << " is less than " << s2 << endl;
    } else {
        cout << s1 << " is greater than " << s2 << endl;
    }

    return 0;
}

对于string类的接口还有很多，上面的几个接口大家了解一下，后续慢慢练习就熟悉了。string类中还有一些其他的操作，这里不一一列举，大家在需要用到时不明白了查前面说过的文档即可。

二、string类的模拟实现

2.1 string.h

上面已经对string类进行了简单的介绍，我们只要能够正常使用即可。但是在面试中，面试官总喜欢让我们自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析构函数。 string的底层我们可以看作是：

当然，也可以更为简化，但是，我们为了方便书写代码，就可以像我这种，下面我们来完成string类的实现：

可以根据下面头文件中的声明来试着实现一下： string.h:

class string
{
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, const sxn::string& s);
    friend std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s);
public:
    //迭代器重命名
    typedef char* iterator;
public:
    string(const char* str = "");
    string(const string& s);
    //string& operator=(const string& s);
    string& operator=(string s);
    ~string();
    // iterator
    iterator begin();
    iterator end();
    // modify
    void swap(string& s);
    void push_back(char c);
    string& operator+=(char c);
    void append(const char* str);
    string& operator+=(const char* str);
    void clear();
    void swap(string& s);
    const char* c_str()const;
    // capacity
    size_t size()const;
    size_t capacity()const;
    bool empty()const;
    void resize(size_t n, char c = '\0');
    void reserve(size_t n);
    // access
    char& operator[](size_t index);
    const char& operator[](size_t index)const;
    //relational operators
    bool operator<(const string& s);
    bool operator==(const string& s);
    bool operator<=(const string& s);
    bool operator>(const string& s);
    bool operator>=(const string& s);
    bool operator!=(const string& s);
    // 返回c在string中第一次出现的位置
    size_t find(char c, size_t pos = 0) const;
    // 返回子串s在string中第一次出现的位置
    size_t find(const char* s, size_t pos = 0) const;
    // 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
    string& insert(size_t pos, char c);
    string& insert(size_t pos, const char* str);
    // 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
    string& erase(size_t pos, size_t len);

private:
    char* _str = NULL;
    size_t _capacity = 0;
    size_t _size = 0;
};

2.2浅拷贝与深拷贝

这里就有个问题：拷贝构造和赋值重载需要我们自己实现吗？

回答是，要，必须要。

这里就涉及到了深浅拷贝的问题，前面的文章也说过了，但是都没有实操的机会，这里真好赶上了，就展开再说说，就以拷贝构造为例，假如是编译器自己生成的，就是浅拷贝/值拷贝，会导致：

这是我们想要的结果吗，不是，它还会导致在调用析构函数的时候，会调用两次，出现问题。所以这里我们就要实现深拷贝，深拷贝之后要达到的效果：

其实也很好理解，因为编译器不知道你这里到底指向资源还是干什么，它只知道在这块空间上放着_str、_size、_capacity这三个，所以它只能完成浅拷贝。

有了深浅拷贝的理解，这些代码就很好完成了。

2.3 string.cpp

#include"string.h"

const size_t string::npos = -1;

//构造函数
string::string(const char* str)
    :_str(new char[strlen(str) + 1])
{
    _size = strlen(str);
    strcpy(_str, str);
    _capacity = _size;
    // std::cout << "string(const char* str)" << std::endl;
}
//拷贝构造函数
/*string::string(const string& s)
{
    _str = new char[s._capacity + 1];
    strcpy(_str, s._str);
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
}*/

//现代写法
string::string(const string& s)
{
    string tmp(s._str);
    swap(tmp);
}

//析构函数
string::~string()
{
    delete[] _str;
    _str = nullptr;
    _size = _capacity;
    //std::cout << "~string()" << std::endl;
}
// iterator
string::iterator string::begin()
{
    return _str;
}
string::iterator string::end()
{
    return _str + _size;
}
//赋值
/*string& string::operator=(const string& s)
{
    delete[] _str;
    _str = new char[s._capacity + 1];
    strcpy(_str, s._str);
    _size = s._size;
    _capacity = s._capacity;
    return *this;
}*/
//现代写法
/*string& string::operator=(const string& s)
{
    string tmp(s._str);
    swap(tmp);
    return *this;
}*/
string& string::operator=(string s)
{
    swap(s);
    return *this;
}

// modify
//尾插
void string::push_back(char c)
{
    reserve(_size + 1);
    _str[_size++] = c;
}
string& string::operator+=(char c)
{
    push_back(c);
    return *this;
}
//追加
void string::append(const char* str)
{
    int len = strlen(str);
    reserve(_size + len);
    strcpy(_str + _size, str);
    _size = _size + len;
}
string& string::operator+=(const char* str)
{
    append(str);
    return *this;
}
void string::clear()
{
    _size = 0;
    _str[0] = '\0';
}
void string::swap(string& s)
{
    std::swap(_str, s._str);
    std::swap(_size, s._size);
    std::swap(_capacity, s._capacity);
}
const char* string::c_str()const
{
    return _str;
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
// capacity
size_t string::size()const
{
    return _size;
}
size_t string::capacity()const
{
    return _capacity;
}
bool string::empty()const
{
    return _size == 0;
}
void string::resize(size_t n, char c)
{
    if (n <= _size)
    {
        _str[n] = '\0';
        _size = n;
    }
    else
    {
        reserve(n);
        while (_size < n)
        {
            _str[_size++] = c;
        }
        _str[_size] = '\0';
    }
}
void string::reserve(size_t n)
{
    static size_t count = 0;
    if (n > _capacity)
    {
        char* tmp = new char[n + 1];
        strcpy(tmp, _str);
        delete[] _str;
        _str = tmp;
        _capacity = n;
        std::cout << "reserve->" << ++count << std::endl;
    }
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
// access
char& string::operator[](size_t index)
{
    assert(index < _size);
    return _str[index];
}
const char& string::operator[](size_t index)const
{
    assert(index < _size);
    return _str[index];
}
/////////////////////////////////////////////////////////////
//relational operators
bool string::operator<(const string& s)
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    while (i < _size && j < s._size)
    {
        if (_str[i++] >= s._str[j++])
        {
            return false;
        }
    }
    if (i < _size && j == s._size)
        return false;
    return true;
}
bool string::operator==(const string& s)
{
    int i = 0;
    int j = 0;
    while (i < _size && j < s._size)
    {
        if (_str[i++] != s._str[j++])
        {
            return false;
        }
    }
    if (i != _size || j != s._size)
        return false;
    return true;
}
bool string::operator<=(const string& s)
{
    return *this == s || *this < s;
}
bool string::operator>(const string& s)
{
    return !(*this <= s);
}
bool string::operator>=(const string& s)
{
    return *this == s || *this > s;
}

bool string::operator!=(const string& s)
{
    return !(*this == s);
}

// 返回c在string中第一次出现的位置
size_t string::find(char c, size_t pos) const
{
    if (pos >= _size)
        return npos;
    while (pos < _size)
    {
        if (_str[pos] == c)
            return pos;
    }
    return npos;
}
// 返回子串s在string中第一次出现的位置
size_t string::find(const char* s, size_t pos) const
{
    char* str = strstr(_str + pos, s);
    if (str == nullptr)
    {
        return npos;
    }
    return str - _str;
}
// 在pos位置上插入字符c/字符串str，并返回该字符的位置
string& string::insert(size_t pos, char c)
{
    assert(pos <= _size);
    reserve(_size + 1);
    size_t i = _size + 1;
    while (i > pos)
    {
        _str[i] = _str[i - 1];
        --i;
    }
    _str[pos] = c;
    ++_size;
    return *this;
}
string& string::insert(size_t pos, const char* str)
{
    assert(pos <= _size);
    size_t len = strlen(str);
    if (len == 0)
        return *this;
    reserve(_size + len);
    size_t i = _size + len;

    while (i >= pos + len)
    {
        _str[i] = _str[i - len];
        --i;
    }

    strncpy(_str + pos, str, len);
    _size += len;
    return *this;
}

// 删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置
string& string::erase(size_t pos, size_t len)
{
    assert(pos < _size);
    if (pos + len >= _size)
    {
        _str[pos] = '\0';
        _size = pos;
    }
    else
    {
        int i = 0;
        while (len <= _size)
        {
            _str[pos + i] = _str[pos + len];
            i++;
            len++;
        }
        _size = pos + i - 1;
    }
    return *this;
}

//输入输出
std::ostream& operator<<(std::ostream& _out, const sxn::string& s)
{
    int n = 0;
    while (n < s._size)
    {
        _out << s._str[n++];
    }
    return _out;
}

/*  std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s)
  {
      s.clear();
      char ch = (char)_in.get();
      while (ch != '\n')
      {
          s.reserve(++s._size);
          s._str[s._size-1] = ch;
          s._str[s._size] = '\0';//不写这个reserve函数中的strcpy()拷贝就会出错
          ch = _in.get();
      }
      s._str[s._size] = '\0';
      return _in;
  }*/
std::istream& operator>>(std::istream& _in, sxn::string& s)
{
    s.clear();
    //用一个数组做缓冲，减少开辟内存的时间
    const int N = 5;
    char buffer[N];
    //要使用get函数才行，因为cin以及输入时将空格忽视
    int ch = _in.get();
    int i = 0;
    while (ch != '\n')
    {
        //先写入buffer
        if (i < N)
        {
            buffer[i++] = ch;
        }
        else
        {
            s.reserve(s._size + N);
            strncpy(s._str + s._size, buffer, N);
            s._size += N;
            s._str[s._size] = '\0';
            i = 0;
        }
        ch = _in.get();
    }
    if (i > 0)
    {
        s.reserve(s._size + i + 1);
        strncpy(s._str + s._size, buffer, i + 1);
        s._size += i + 1;
        s._str[s._size] = '\0';
    }
    return _in;
}

在这里再提一个点：