深入浅出分析C++ string底层原理

前言

在 C++ 中，string 类型是经常使用的字符串类型。了解 string 类的底层实现原理可以更好地理解其各种方法的行为，从而在编写程序时更加得心应手。本文将从以下几个方面对 string 类的底层实现进行说明：

1. string 类的结构
2. string 类的构造函数
3. string 类的拷贝构造函数
4. string 类的赋值操作符
5. string 类的插入操作
6. string 类的删除操作

string 类的结构

class string{
    char* str;
    size_t len;
};

如上所示，C++ 的 string 类内部主要包含了一个指向字符数组的指针，以及表示字符串长度的 size_t 类型变量。实际上，string 类在底层是使用一个动态分配的字符数组来保存字符串，而 str 指向的正是这个字符数组。由于字符数组是动态分配的，所以可以在程序运行时动态地改变字符串的长度。

string 类的构造函数

C++ 的 string 类有多个构造函数，在此只说明最基本的一个构造函数：

string::string(const char* s){
    len=std::strlen(s);
    str=new char[len+1];
    std::strcpy(str,s);
}

可以看出，string 类的构造函数主要做了两件事情：

1. 计算字符串长度
2. 动态分配字符数组，并将原始字符串拷贝进该数组

下面通过一个示例说明 string 类的构造函数行为：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(){
    string s1("Hello, world!");
    cout << s1 << endl;
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果为：

Hello, world!

可以看出，string 类的构造函数成功地将原始字符串 "Hello, world!" 拷贝进了动态分配的字符数组中，并正确地计算了字符串的长度。

string 类的拷贝构造函数

C++ 的 string 类还有一个拷贝构造函数，其定义如下：

string::string(const string& s){
    len=s.len;
    str=new char[len+1];
    std::strcpy(str,s.str);
}

可以看出，string 类的拷贝构造函数主要做了两件事情：

1. 复制字符串长度
2. 动态分配字符数组，并将原始字符串拷贝进该数组

下面通过一个示例说明 string 类的拷贝构造函数行为：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(){
    string s1("Hello, world!");
    string s2(s1);
    cout << s2 << endl;
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果为：

Hello, world!

可以看出，string 类的拷贝构造函数成功地将 s1 中的字符串拷贝进了 s2 中，并正确地计算了字符串的长度。

string 类的赋值操作符

C++ 的 string 类还重载了赋值操作符，其定义如下：

string::string& operator=(const string& s){
    if(this!=&s){
        delete[] str;
        len=s.len;
        str=new char[len+1];
        std::strcpy(str,s.str);
    }
    return *this;
}

可以看出，string 类的赋值操作符主要做了以下几件事情：

1. 检查是否自我赋值，若自我赋值则直接返回。
2. 删除原有的字符数组。
3. 复制字符串长度。
4. 动态分配字符数组，并将原始字符串拷贝进该数组。

下面通过一个示例说明 string 类的赋值操作符行为：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(){
    string s1("Hello, world!");
    string s2;
    s2 = s1;
    cout << s2 << endl;
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果为：

Hello, world!

可以看出，string 类的赋值操作符成功地将 s1 中的字符串拷贝进了 s2 中，并正确地计算了字符串的长度。

string 类的插入操作

C++ 的 string 类提供了多种插入操作，例如 insert 函数、 push_back 函数等。下面以 insert 函数为例进行说明：

string::iterator insert(iterator it,char c){
    size_t pos=it-str;
    size_t oldlen=len;
    len++;
    str=new char[len+1];
    std::memcpy(str,it,oldlen-pos);
    str[pos]=c;
    std::memcpy(str+pos+1,it+pos,oldlen-pos);
    return str+pos+1;
}

可以看出，insert 函数主要做了以下几件事情：

1. 计算插入位置。
2. 调整字符串长度。
3. 动态分配字符数组，并将原始字符串拷贝进该数组。
4. 在插入位置插入新字符。

下面通过一个示例说明 string 类的 insert 函数行为：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(){
    string s1("world!");
    s1.insert(s1.begin(),'H');
    cout << s1 << endl;
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果为：

Hello, world!

可以看出，insert 函数成功地在字符串 s1 的开头插入了字符 'H'。

string 类的删除操作

C++ 的 string 类提供了多种删除操作，例如 erase 函数、 pop_back 函数等。下面以 erase 函数为例进行说明：

string::iterator erase(iterator first,iterator last){
    size_t pos=first-str;
    size_t oldlen=len;
    len-=last-first;
    str=new char[len+1];
    std::memcpy(str,first,pos);
    std::memcpy(str+pos,last,oldlen-pos);
    return str+pos;
}

可以看出，erase 函数主要做了以下几件事情：

1. 计算删除区间。
2. 调整字符串长度。
3. 动态分配字符数组，并将原始字符串拷贝进该数组。
4. 删除指定区间的字符。

下面通过一个示例说明 string 类的 erase 函数行为：

#include <iostream>
#include <string>

using namespace std;

int main(){
    string s1("Hello, world!");
    s1.erase(5,7);
    cout << s1 << endl;
    return 0;
}

运行上述代码，输出结果为：

Hello!

可以看出，erase 函数成功地删除了字符串 s1 中位置 5-11 的字符。

结语

C++ 的 string 类提供了丰富的字符串操作方法，其底层实现涉及到动态分配字符数组、拷贝构造函数、赋值操作符等多个方面。希望本文的解释能够让读者更好地理解 string 类的底层工作方式。