【C++篇】探寻C++ STL之美：从string类的基础到高级操作的全面解析

🕗 发布于 2024-09-24 12:52 c++ 开发语言 string类内存管理 stl

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C++ `string` 类详解：从入门到精通

C++ `string` 类详解：从入门到精通

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前言

C++ 标准库中的 string 类是操作字符串的强大工具。与传统的 C 风格字符串（char[]）相比，string 不仅支持自动内存管理，还提供了多种简洁而强大的接口。本文将带你详细了解 string 的常见用法、构造方法、容量操作、访问与修改等操作，帮助你从容应对实际开发中涉及字符串操作的场景。

第一章：C 语言中的字符串 vs C++ `string` 类

1.1 C 语言中的字符串

在 C 语言中，字符串本质上是以 \0 结尾的字符数组。C 标准库为此提供了 str 系列函数，如 strlen()、strcpy() 和 strcat() 等。虽然这些函数可以操作字符串，但它们的操作十分繁琐且容易出错，尤其是在内存管理方面。

例如，在 C 语言中进行字符串拼接的代码如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() {
    char str1[50] = "Hello";
    char str2[50] = " World";

    // 字符串连接
    strcat(str1, str2);

    printf("%s\n", str1);  // 输出：Hello World

    return 0;
}

问题：C 语言中的字符串操作容易出现内存溢出，因为需要手动管理字符数组的长度。

1.2 C++ `string` 类的优势

C++ 中的 string 类使得字符串操作更加安全和简便。它封装了复杂的内存管理，并提供了类似数组的接口，开发者不再需要手动管理字符串的长度和内存。例如，使用 string 进行字符串拼接：

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

int main() {
    string str1 = "Hello";
    string str2 = " World";

    // 使用 += 操作符进行拼接
    str1 += str2;

    cout << str1 << endl;  // 输出：Hello World

    return 0;
}

第二章：`string` 类的构造与基础操作

2.1 `string` 类的构造方法

string 类支持多种构造方式，以下是常见的构造函数：

函数名	功能描述
`string()`	默认构造一个空字符串
`string(const char* s)`	使用 C 字符串 `s` 构造 `string` 对象
`string(size_t n, char c)`	构造一个包含 `n` 个字符 `c` 的字符串
`string(const string& s)`	使用已有的 `string` 对象进行拷贝构造

2.1.1 示例代码：构造字符串

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

int main() {
    string s1;                 // 空字符串
    string s2("Hello C++");     // 通过C字符串初始化
    string s3(s2);              // 拷贝构造
    string s4(5, 'A');          // 5个'A'字符的字符串

    cout << "s1: " << s1 << endl;
    cout << "s2: " << s2 << endl;
    cout << "s3: " << s3 << endl;
    cout << "s4: " << s4 << endl;

    return 0;
}

输出示例：

s1: 
s2: Hello C++
s3: Hello C++
s4: AAAAA

2.2 `string` 对象的常见操作

函数名	功能描述
`size()`	返回字符串的长度
`length()`	返回字符串的长度，与 `size()` 等价
`capacity()`	返回当前分配的存储空间大小
`empty()`	判断字符串是否为空，若为空返回 `true`
`clear()`	清空字符串内容
`reserve()`	为字符串预留存储空间，不改变有效字符的个数
`resize()`	改变字符串的长度，若增大则用默认字符填充

2.2.1 示例代码：字符串容量操作

注意：

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，当reserve的参数小于string的底层空间总大小时，reserve不会改变容量大小。
size和capacity都不包括’\0’

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

int main() {
    string s = "Hello";

    cout << "Size: " << s.size() << endl;     // 返回字符串长度
    cout << "Capacity: " << s.capacity() << endl;  // 返回容量
    s.resize(10, 'X');                        // 将长度改为10，多出部分用'X'填充
    cout << "Resized: " << s << endl;
    s.clear();                                // 清空字符串
    cout << "Is empty: " << s.empty() << endl;  // 检查是否为空

    return 0;
}

输出示例：

Size: 5
Capacity: 15
Resized: HelloXXXXX
Is empty: 1

2.3 字符串的遍历与访问

可以通过以下几种方式访问字符串中的字符：

方法	功能描述
`operator[]`	返回或设置指定位置的字符
`at()`	返回指定位置的字符并进行边界检查
`begin()`/`end()`	返回字符串的首尾迭代器，用于遍历字符串
`rbegin()`/`rend()`	返回反向迭代器，支持从后向前遍历字符串
`push_back()`	在字符串末尾追加一个字符
`append()`	在字符串末尾追加另一个字符串或子字符串

注意：

在string尾部追加字符时，s.push_back(c) / 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。

2.3.1 示例代码：遍历与访问字符

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

int main() {
    string s = "Hello C++";

    // 使用下标访问
    cout << "First character: " << s[0] << endl;

    // 使用迭代器遍历
    for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++it) {
        cout << *it << ' ';
    }
    cout << endl;

    return 0;
}

输出示例

First character: H
H e l l o   C + +

第三章：字符串的高级操作

3.1 字符串的查找操作

string 类提供了多种查找子字符串或字符的方法。常见的查找方法如下：

函数名	功能说明
`find()`	在字符串中查找子字符串或字符，返回其首次出现的位置，找不到则返回 `string::npos`
`rfind()`	反向查找字符串，返回最后一次出现子串或字符的位置
`find_first_of()`	查找指定字符集中的任意一个字符，返回第一次出现的索引
`find_last_of()`	查找指定字符集中的任意一个字符，返回最后一次出现的索引

string::npos 是 std::string 类的一个常量静态成员变量，它是用来表示查找操作失败时的返回值。

它通常等于无符号整数类型的最大值（size_t(-1)），具体值是实现定义的，但它在所有实现中都用于表示“未找到”的状态。

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

int main() {
    cout << "Value of string::npos: " << string::npos << endl;
    return 0;
}

输出结果：

Value of string::npos: 18446744073709551615  // 这是 size_t 的最大值 (通常等于 -1)

3.1.1 示例代码：查找子字符串

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

int main() {
    string s = "Hello World";

    // 查找 "World" 在字符串中的位置
    size_t pos = s.find("World");
    if (pos != string::npos) {
        cout << "'World' found at position: " << pos << endl;
    } else {
        cout << "'World' not found" << endl;
    }

    // 反向查找 'o'
    size_t rpos = s.rfind('o');
    cout << "'o' last found at position: " << rpos << endl;

    return 0;
}

输出示例：

'World' found at position: 6
'o' last found at position: 7

3.1.2 示例代码：查找任意字符

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

int main() {
    string s = "Hello, World!";
    string charset = "aeiou";  // 查找元音字母

    // 使用 find_first_of 查找字符集中任意字符第一次出现的位置
    size_t first_pos = s.find_first_of(charset);
    if (first_pos != string::npos) {
        cout << "First vowel in the string found at position: " << first_pos << endl;
    } else {
        cout << "No vowel found in the string." << endl;
    }

    // 使用 find_last_of 查找字符集中任意字符最后一次出现的位置
    size_t last_pos = s.find_last_of(charset);
    if (last_pos != string::npos) {
        cout << "Last vowel in the string found at position: " << last_pos << endl;
    } else {
        cout << "No vowel found in the string." << endl;
    }

    return 0;
}

输出示例：

First vowel in the string found at position: 1
Last vowel in the string found at position: 8

3.1.3 相关链接

3.2 字符串的比较操作

在 C++ 中，string 类支持字符串的比较操作，既可以使用运算符 ==、!=、<、> 等，也可以通过 compare() 方法进行更细粒度的比较。

方法	功能说明
`operator==`	判断两个字符串是否相等
`operator!=`	判断两个字符串是否不相等
`operator<`	判断当前字符串是否小于另一个字符串
`operator>`	判断当前字符串是否大于另一个字符串
`compare()`	进行详细的字符串比较，返回 0 表示相等，负值表示小于，正值表示大于

3.2.1 示例代码：字符串比较

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

int main() {
    string str1 = "Apple";
    string str2 = "Banana";

    if (str1 == str2) {
        cout << "Strings are equal" << endl;
    } else {
        cout << "Strings are not equal" << endl;
    }

    // 使用 compare() 方法比较
    int result = str1.compare(str2);
    if (result == 0) {
        cout << "Strings are equal" << endl;
    } else if (result < 0) {
        cout << "str1 is less than str2" << endl;
    } else {
        cout << "str1 is greater than str2" << endl;
    }

    return 0;
}

输出示例：

Strings are not equal
str1 is less than str2

3.2.2 相关链接

C++ string::compare() 文档

3.3 字符串的替换操作

在 C++ 中，string 类允许我们通过 replace() 方法替换字符串中的部分内容。

函数名	功能说明
`replace()`	替换从指定位置开始的若干字符为新字符串

3.3.1 示例代码：替换字符串中的部分内容

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 替换 "World" 为 "C++"
    str.replace(6, 5, "C++");

    cout << str << endl;  // 输出：Hello C++

    return 0;
}

输出示例：

Hello C++

3.3.2 相关链接

C++ string::replace() 文档

3.4 字符串的截取操作

string 类提供了 substr() 方法来提取字符串中的子字符串。该方法非常有用，尤其是在处理文件路径或URL时。

函数名	功能说明
`substr()`	从指定位置开始，截取若干字符并返回子字符串

3.4.1 示例代码：提取子字符串

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 从位置 6 开始截取 5 个字符
    string sub = str.substr(6, 5);

    cout << "Substring: " << sub << endl;

    return 0;
}

输出示例：

Substring: World

3.4.2 相关链接

C++ string::substr() 文档

3.5 字符串的插入与删除操作

在 C++ 中，string 类支持通过 insert() 在字符串的指定位置插入子字符串，或通过 erase() 从指定位置删除字符。

这两个方法因为时间复杂度挺高的，所以还是避免常用

函数名	功能说明
`insert()`	在字符串的指定位置插入字符或子字符串
`erase()`	删除字符串中指定位置的若干字符

3.5.1 示例代码：插入与删除操作

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

int main() {
    string str = "Hello World";

    // 在索引 5 处插入一个逗号
    str.insert(5, ",");
    cout << "After insert: " << str << endl;

    // 删除索引 5 开始的 1 个字符
    str.erase(5, 1);
    cout << "After erase: " << str << endl;

    return 0;
}

输出示例：

After insert: Hello, World
After erase: Hello World

3.5.2 相关链接

3.6 字符串与数值的转换

C++ 提供了 to_string() 和 stoi() 等函数，帮助我们在字符串和数值之间进行转换。这在处理用户输入、文件解析等场景中非常常用。

函数名	功能说明
`to_string()`	将数值转换为字符串
`stoi()`	将字符串转换为整数
`stof()`	将字符串转换为浮点数

3.6.1 示例代码：数字与字符串的相互转换

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

int main() {
    int num = 42;
    string str = to_string(num);  // 数字转字符串
    cout << "String: " << str << endl;

    string strNum = "123";
    int parsedNum = stoi(strNum);  // 字符串转整数
    cout << "Parsed Integer: " << parsedNum << endl;

    return 0;
}

输出示例：

String: 42
Parsed Integer: 123

3.6.2 相关链接

写在最后

本文详细解析了 C++ string 类的常见构造方法、容量操作、字符访问、字符串的拼接、查找、比较等操作。希望这些内容能够帮助你更好地理解和使用 string 类。

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文章目录

C++ string 类详解：从入门到精通

前言

第一章：C 语言中的字符串 vs C++ string 类

1.1 C 语言中的字符串

1.2 C++ string 类的优势

第二章：string 类的构造与基础操作

2.1 string 类的构造方法

2.1.1 示例代码：构造字符串

2.2 string 对象的常见操作

2.2.1 示例代码：字符串容量操作

2.3 字符串的遍历与访问

2.3.1 示例代码：遍历与访问字符

第三章：字符串的高级操作

3.1 字符串的查找操作

3.1.1 示例代码：查找子字符串

3.1.2 示例代码：查找任意字符

3.1.3 相关链接

3.2 字符串的比较操作

3.2.1 示例代码：字符串比较

3.2.2 相关链接

3.3 字符串的替换操作

3.3.1 示例代码：替换字符串中的部分内容

3.3.2 相关链接

3.4 字符串的截取操作

3.4.1 示例代码：提取子字符串

3.4.2 相关链接

3.5 字符串的插入与删除操作

3.5.1 示例代码：插入与删除操作

3.5.2 相关链接

3.6 字符串与数值的转换

3.6.1 示例代码：数字与字符串的相互转换

3.6.2 相关链接

写在最后

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第一章：C 语言中的字符串 vs C++ `string` 类

1.2 C++ `string` 类的优势

第二章：`string` 类的构造与基础操作

2.1 `string` 类的构造方法

2.2 `string` 对象的常见操作