C++——模拟实现string

1.再谈string

string为什么要被设计成模板？日常使用string好像都是char*，char*不够使用吗，为什么要设计成模板呢？

1.1 关于编码

//计算机的存储如何区分呢？

int main()
{
	//比如在C语言中，有整型
	//如果是有符号的话，设计了原、反、补码
	//负数要存储它的补码，方便运算
	//浮点数要设计到存精度等问题

	int a = 0;

	return 0;
}

那么如何去更好地表示其它的各种文字呢？

1.2 ASCII编码

ASCII_百度百科 (baidu.com)

ASCII编码表示美国信息技术的编码，在一开始设计时，只考虑了存储美国的文字信息

内存中存储字母时，不会把字母存储进去，内存中都是0、1组合的二进制代码，所以，要在二进制代码代表的值与符号间，建立一个一一映射对应的关系，这个关系表，一般称为编码表


ASCII表就是值与美国的文字所建立的拥有一一映射对应的关系的编码表

int main()
{	
    char str[] = "hello world";
	return 0;
}

//要显式时，发现它是字符串，会去查它的编码表

1.3 unicode

统一码_百度百科 (baidu.com)

计算机向全世界推广后，不单单需要能够表示汉字，还需要能够表示其他国家的文字符号，有些国家的文字比较简单，有些可能比汉字还要复杂。因此，设计出了万国码。

所以要表示汉字，也要使得每个汉字都对应一个数字
那如何表示汉字呢？也是用一个byte表示一个汉字吗？
要知道1个byte才8个bit位，这样的话才只能表示256个汉字，显然不能很好地表示

方案有三种：

1.3.1 UTF-8

int main()
{
	//UTF-8   主流使用，一个值可能在多个字节上面存储
	//但windows喜欢使用gbk，linux喜欢使用UTF-8

	char str1[] = "hello world";//12byte
	char str2[] = "工大";//5byte
	char str3[] = "工大 hello";//可以混着使用，11byte

	cout << sizeof(str1) << endl;
	cout << sizeof(str2) << endl;
	cout << sizeof(str3) << endl;

	char* a = str3;
	cout << *a << endl;

    return 0;
}

UTF-8的缺点：变长，意味着识别比较复杂，太不统一，比如做屏蔽时；
或是有些情况下文字不需要兼容ASCII，这时就要使用其它方式了

1.3.2 UTF-16

1.3.3 UTF-32

1.4设计成模板的原因

int main()
{
	//为了更好地兼容这两种编码，类型进行了延申
	//C++11之前，设计出了宽字节，一个char占据2byte
    //用来更好地表示其它的编码，比如UTF-16
	
    wchar_t ch1;	//宽字节
	cout << sizeof(ch1) << endl;//2byte

	char16_t ch2;
	char32_t ch3;

	cout << sizeof(ch2) << endl;//2byte
	cout << sizeof(ch3) << endl;//4byte

    return 0;
}

这也是string要设计成模板的原因，它可以传不同的模板参数，比如char16_t、char32_t等，可以适用不同的编码，表示更多国家的不同的文字。

1.5何为乱码

比如某文字默认使用UTF-8来存储，但显示时没有使用对于的编码表来查找，就会出现乱码。
存储格式和解释方式没有对应起来

1.6GBK

GBK字库_百度百科 (baidu.com)

虽然unicode是全世界的编码，但它未必非常适合汉字的表达。GBK是中国创造的、更适合汉字表达的编码表。

int main()
{
	char s1[] = "你好!!";

	s1[0]++;//陪
	s1[0]++;
	s1[0]++;
	s1[0]++;

	s1[3]++;//耗
	s1[3]++;
	s1[3]++;//号

	//在净网行动中非常有用
	//黑名单词库

    return 0;
}

2.模拟实现string

2.1无参的构造和析构

//string.h

#pragma once

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

//初始化的顺序是按照声明的顺序，而不是初始化列表出现的顺序

		string(const char* str)
			:_size(strlen(str))
			,_capacity(_size)//capacity一般不算'\0'
		{
			_str = new char[_capacity+1];//开空间时要多开一个
			strcpy(_str, str);//strcpy会把'\0'也拷贝过去
		}

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

		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};

	void test_string1()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

	}
}


//Test.cpp

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<iostream>
//这里间接包了string的相关函数

//#include"string.h"
//注意，如果写在这里可能会报错，因为std的展开在下面
//编译器为了追求编译速度，只会向上查找

using namespace std;
#include"string.h"//编译器实际编译时是没有.h的，在预处理阶段就在.c或者.cpp展开了

int main()
{
	jxy::test_string1();

	return 0;
}

2.2单参数的构造

错误示范：

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		string()
			:_str(nullptr)
			,_size(0)
			,_capacity(0)
		{}

	};

	void test_string1()
	{
		string s2;
		cout << s2.c_str() << endl;
		
        //这样会崩溃
		//char*有个特点，自定义类型识别会以字符串去识别，会直接去解引用，遇到'\0'才终止
		//这里空指针解引用就会出错

		std::string s1;
		cout << s1.c_str() << endl;//库里面的是没问题的

	}
}

正确写法1：

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		string()
			:_str(new char[1]{'\0'})//这里需要开空间
			,_size(0)
			,_capacity(0)
		{
			//_str[0] = '\0';//或者在这里初始化
		}


	};

	void test_string1()
	{
		string s2;
		cout << s2.c_str() << endl;

	}
}

正确写法2：在无参构造处给上缺省参数

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		//const char* str="\0" 这样写不够规范
		 
		string(const char* str="")//C语言规定常量字符串后面默认有'\0'
			:_size(strlen(str))
			,_capacity(_size)
		{
			_str = new char[_capacity+1];
			strcpy(_str, str);
		}

	};

	void test_string1()
	{
		string s2;
		cout << s2.c_str() << endl;
	}
}

2.3 size、capacity和c_str

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:
		size_t capacity() const
		{
			return _capacity;
		}

		size_t size() const
		{
			return _size;
		}

		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}

	};

	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
}

2.4遍历数组

2.4.1[]

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

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

		const char& operator[](size_t pos) const//给const对象使用
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}

	};
//...
}

2.4.2迭代器

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		typedef char* iterator;//迭代器可以实现成指针，也可以不
		//可以使用原生指针来代替iterator

		iterator begin()
		{
			return _str;
		}

		iterator end()
		{
			return _str+_size;
		}

	};
//...
}

2.4.3范围for

namespace jxy
{
	class string
	{
	//...
	};

	void test_string2()
	{

//1. []
		string s1("hello world");
		for (size_t i = 0; i <s1.size() ; i++)
		{
			cout << s1[i] << " ";
		}
		cout << endl;

//2.迭代器
		string::iterator it=s1.begin();//在里面typedef的或者是内部类

		while (it != s1.end())
		{
			cout << *it << " ";
			it++;
		}
		cout << endl;

//3.范围for
		//这里还支持范围for
		for (auto ch : s1)//底层代码和上面的迭代器类似
		{
			//auto ch = *it;
			cout << ch << " ";
		}
		cout << endl;

		//范围for的本质是替换成迭代器，编译时直接替换过去
		//而且有很严格的规范，名字变化一下都是不可以的
	}
}

2.5复用reserve实现尾插

实现尾插的三种方式：

1.push_back

2.append

3.+=

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		void reserve(size_t n)
		{
			assert(n > _capacity);

			char* str1 = new char[n+1];//失败会抛异常
			strcpy(str1,_str);//会把'\0'拷贝过去

			delete[] _str;//越界会在这里崩溃
			_str = str1;
			_capacity = n;
		}

		void push_back(char ch)
		{//扩容问题
			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);
			}

			strcpy(_str + _size, str);
			_size += len;
		}

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

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

	void test_string3()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.push_back('0');
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.append("hello lxy");
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1 += '$';
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1+="hellox";
		cout << s1.c_str() << endl;

	}
}

2.6 insert和erase

insert错误写法：

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:
		void insert(size_t pos,char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);

			}

			size_t end = _size;//头插会出问题，这里是无符号数

			//int end = _size; //改为有符号数也是行不通的
			//在操作符，如 >= 两边，类型不同时，会发生类型提升
			//这里end虽然是有符号数，但会被提升成无符号数
			while (end >= pos)
			{
				_str[end + 1] = _str[end];
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;

		}
//...
	};

	void test_string4()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.insert(5, '#');
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.insert(s1.size(), '#');
		cout << s1.c_str() << endl;

		s1.insert(0, '#');//头插
		cout << s1.c_str() << endl;
	}

}

正确写法1：

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:
		void 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++;

		}
//...
	};
}

正确写法2：

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:
		void insert(size_t pos,char ch)
		{
			assert(pos <= _size);
			if (_size == _capacity)
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);

			}

			int end = _size;
			while (end>=(int)pos)//或者把这里强转一下，避免出现类型提升
			{
				_str[end] = _str[end-1];
				end--;
			}
			_str[pos] = ch;
			_size++;

		}
//...
	};
}

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

		void insert(size_t pos,size_t len=npos)
		{

		}

		void insert(size_t pos,const char* str)
		{

		}

		void erase(size_t pos,size_t len=npos)
		{

		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;

//注意
		//const static size_t npos =-1;  //特例
		//这里是特殊情况，按理说不能在这里初始化
		//这里给值给的是缺省值，缺省值是给初始化列表使用的
		//静态成员变量不会去执行初始化列表，它不属于对象，它属于整个类，按理说要在类外面初始化
		//但是const修饰的静态的整型可以，所以这里既是定义，又是定义初始化
		
		//const static double npos = 1.2;//这样都不会去支持

		const static size_t npos;
	};

	const size_t string::npos = -1;
}

2.7运算符重载

namespace jxy
{
	class string
	{
	public:

//运算符重载
//设计成非成员函数更好，便于模板的使用
		bool operator<(const string& str1)
		{
			return strcmp(_str, str1._str)<0;
		}

		bool operator==(const string& str1)
		{
			return strcmp(_str, str1._str)==0;
		}

		bool operator<=(const string& str1)
		{
			return *this<str1 || *this==str1;
		}

		bool operator>=(const string& str1)
		{
			return !(*this<str1);
		}

		bool operator>(const string& str1)
		{
			return !(*this<=str1);
		}

		bool operator!=(const string& str1)
		{
			return !(*this == str1);
		}
//...
	};
}

2.8流插入

namespace jxy
{
	class string
	{
    public:

		typedef const char* const_iterator;//const迭代器指向的内容不能修改
		//指针本身可以修改，指向的内容不能修改

		const_iterator begin() const
		{
			return _str;
		}

		const_iterator end() const
		{
			return _str + _size;
		}

    //...
	};

	//没有必要定义为友元，想访问私有成员变量才需要定义为友元
	ostream& operator<<(ostream& out, const string& s)
	{
		1.
		//for (size_t i = 0; i < s.size(); i++)
		//{
		//	out << s[i];
		//}
		//return out;

		//2.可以使用范围for，但要替换成const迭代器
		for (auto ch : s)
			out << ch;

		return out;
	}
}

2.9流提取和clear

namespace jxy
{
	class string
	{
    public:
		void clear()
		{
			_str[0] = '\0';
			_size = 0;
		}

    //...
	};

	//没有必要定义为友元，想访问私有成员变量才需要定义为友元

	istream& operator>>(istream& in,string& s)
	{//流提取要从缓冲区中取一个个的字符
		s.clear();

		char ch;
		//in >> ch; //这样写获取不到空格
		ch = in.get();
		while (ch != ' ' && ch != '\n')
		{
			s += ch;
			//in >> ch;
			ch = in.get();

		}
		return in;
	}

	void test_string6()
	{
		string s1("hello world");
		cout << s1 << endl;

		cin >> s1;
		cout << s1 << endl;

	}
}

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