C++ string 操作指南：接口解析与编程实践

前言

大家好啊，我是云泽Q，欢迎阅读我的文章，一名热爱计算机技术的在校大学生，喜欢在课余时间做一些计算机技术的总结性文章，希望我的文章能为你解答困惑~，这篇文章是衔接上文，因为string类内容较多，我可能会分3-4篇来写，连贯的来看效果更佳。前情回顾：C++ STL string类全面指南：从编码历史到实战应用

一、string的capacity接口

1.1 max_size

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max_size接口的作用是返回该string最大有多长，这个长度根据不同平台的值是不同的。我感觉其意义不大，这里32位平台下最大是21亿多字节（已经2个G了），但实际上string是开不出这么大的连续空间的。前面内存管理的文章，不断地new，最多才开了不到2个G的空间。64位平台下的值更大，换个编译器这个值还有可能不同

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1.2 capacity

capacity就是容量，表示能存储的实际有效字符个数。注意，size和capacity都不包含’\0’，这里显示空间大小为15，实际上底层的空间大小是16

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再看一下底层，就是下面的原始视图，数据就存在_Buf中，实际上就是16个空间

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1.3 clear

clear就是把数据清到0，'\0’会移到前面，但它不会清空间，size变为0，capacity不会变

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1.4 empty

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empty就是判空

二、string的Modifiers接口

Modifiers就是修改

2.1 push_back

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上面就是尾插和扩容，这个扩容机制有些奇怪。在VS2022的C++编译器中，扩容的机制：第一次是二倍（第一次的空间是16字节，因为没有算入’\0’，但是’\0’也有存储空间），其余都是1.5倍（取整了）

补充：STL的设计是一种规范，规定哪些容器和算法，要实现哪些接口，不同的编程平台实现是不一样的。例如扩容的机制，G++是二倍扩容，并且扩容时机不同，也就是写程序时不能依赖某个平台下底层的扩容机制（或某个机制），不然容易出问题

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2.2 reserve

reserve是保留的意思，要和反向迭代器区分开来（reverse 颠倒，反转）

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这种情况就是变得比需求更大，容量从15变到31，G++下会从15变为30

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如果容量缩小，capacity有可能会变，有可能不会，但肯定不会缩容为5，因为该接口要求不能对内容有影响，该处内容长度都为11字节，缩容最多缩减到11字节，VS2022下没有影响容量。G++下会从30缩容为15

reserve主要应用于下面的场景，知道要插入200个字符，就可以提前开空间。这样插入的过程中就不用扩容了（扩容的代价是很大的，如果一个空间后面没有足够的空间原地扩容，就要异地开空间，拷贝数据，释放原空间），就提高了效率

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给了200，扩容到207

2.3 shrink_to_fit

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缩容使用该接口即可，该接口也不一定会缩到和size一样大

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缩容的原理：现在有一块32个字节大小的空间，在前面放了11-12个字符，由于C/C++是不支持释放一部分空间的，所以缩容只能去开一块更小的空间，把数据拷贝下来后，再把旧空间释放掉。这个过程就是经典的的以时间换空间的逻辑，但是现在的硬件设备都很大，相比起来时间更为宝贵，所以一般情况下不建议缩容

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2.4 capacity接口的resize

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resize是对size的一个改变，就不涉及容量问题了，而是改变其中的数据，图中值初始化的字符就是’\0’

插入了字符，但是看不到，‘\0’这个字符打印不出来，要从监视窗口看底层

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这里有两个’\0’，实际上只有一个，另一个是之前删除时遗留下来的

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所以resize既可以插入，也可以删除，甚至给的空间很大还可以扩容

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2.5 append

用于插入多个字符，意思是追加

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这里append实现了很多个版本，但是最常用的是第三个版本

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再展示一下第六个迭代器区间的用法，插入s2的字符串不想要第一个空格和感叹号，就可以使用迭代器区间

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2.6 operator+=与operator+

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+=的优势就是直接把字符串拼接到一起，不用考虑空间，C++这里就比C语言爽多了，C语言虽然也有和C++STL类似的str系列的库，里面有接口也可以追加字符串，但是并不关心底层的空间，在追加之前要把空间提前开好，空间不够要扩容时无法解决，就设计的不够好

+=是返回一个string的引用，就是返回自己，+没有重载为成员函数，而是重载为非成员函数（也就是全局的），+是以传值的方式返回，也就是不改变自身

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比较大小也是如此（重载为全局函数），比较大小是按ASCII码来比较的

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2.7 assign

assign与赋值有一些重叠，不过更加多元化了

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2.8 insert和erase

string没有实现头插头删，因为头插头删的效率低，既不提供也不希望使用。而insert和erase可以实现头插头删的方式。尾插和尾删是实现了

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insert依旧实现了很多版本，其实这也是一种历史原因，string由于在STL之前就设计了，设计的很早就没有参考，所以有些接口设计的很杂很乱，有些接口冗余了。这里最常用的是第三个版本

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2.9 erase

erase可以删除一个迭代器位置

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这里的npos和前面的逻辑一样，如果字符串太短，给的len超过了字符串长度，有多少删多少，如果给npos，就删除到结尾

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2.10 replace

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依旧有很多版本，大致就是进行一部分的替换，pos和len指定哪一部分的替换

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第一个替换就是插入了，插入就要挪动数据，replace少量的使用是没事的，不能大量的使用 第二个替换就要把world向前挪两个位置，再将%改为*

三、String的operations接口

3.1 c_str 与 data

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在 C++ 编程中，经常会遇到需要与 C 语言接口交互的情况，尤其是在文件操作、网络编程或数据库访问等场景中。这时，std::string 类的 c_str() 和 data() 方法就显得尤为重要。

这两个方法都返回指向 std::string 内部字符数组的指针，类型为 const char* 。它们的共同点是：都返回一个指向字符串数据的常量指针；在 C++11 及以后的标准中，data() 也保证以空字符 \0 结尾，与 c_str() 行为一致。 注意：在 C++11 之前，data() 不保证以 \0 结尾，而 c_str() 总是保证。

之所以需要 c_str()的原因是C 语言的很多函数（如文件操作、网络通信、数据库接口等）只接受 const char* 类型的参数，而不支持 C++ 的 std::string。这时，我们就需要将 std::string 转换为 C 风格的字符串。

#include <iostream>
#include <string>
#include <cstdio>  // 用于 FILE*, fopen

int main() {
    std::string filename("Test.cpp");
    FILE* fout = fopen(filename.c_str(), "r");  // 必须使用 c_str()
    if (fout) {
        std::cout << "打开文件成功" << std::endl;
        fclose(fout);
    } else {
        std::cout << "打开文件失败" << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中：fopen 是 C 标准库函数，它需要 const char* 类型的文件名；我们使用 filename.c_str() 将 std::string 转换为 C 风格字符串；这样才能成功调用 C 语言接口。

C++中调用c的接口就很多场景，例如一些库提供API（接口）的时候会按C的方式提供，或在Linux下调网络，线程相关的接口。包括MySQL数据库，它提供C/C++的接口都是以C的方式提供，以C的方式提供，C语言可以用，C++也可以用，很省事。也就是说虽然当前程序是用C++写的，必然有时候还要调用C风格的接口

重要：返回的指针是只读的：c_str() 返回的是 const char* ，不能通过该指针修改字符串

3.2 get_allocator

get_allocator就是获取内部用的内存池 STL中的容器底层申请内存时为了提高效率不会去直接调用malloc和new，而是调用内存池。allocator就是内存池对象

所有的数据结构都有第三个参数，该参数就是库中写的内存池对应的对象，例如：string中申请内存是通过内存池对象的类型去申请的

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该模板参数默认都传缺省参数，默认使用库中的内存池。平时使用这些数据结构时不用关心，就让其使用模板的缺省参数就好

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使用缺省参数的核心原因就是，如果你对库中的内存池不满意，可以自己写一个内存池，显式的传到该参数这里

3.3 copy

该接口也用的很少

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把我当前的一部分子串（pos位置开始的len个字符）拷贝到s指向的数组上，一般会用另一个接口substr

3.4 substr

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该接口很好用，它不再会把子串拷贝到一个char* s指向的数组之中，而是会构造一个string对象返回 这里缺省参数也给了npos(若给的参数比剩余字符串长，有多少拷贝多少，取到结尾)，且其std::string是 C++ 的字符串类，其内部存储并不依赖’\0’（空字符）来标识字符串结束（而是通过记录长度来管理），第一个参数是 “起始索引”，该索引位置的字符会被包含在结果中，第二个参数是 “要提取的字符数量”

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这里把网址拆解出来，第一段是协议，第二段是域名（发向的网站的服务器的地址，该地址会通过DNS协议转换为IP），剩下的就是域名之下的内容，以斜杠为分隔符 补充：url就是网址，https/http称为网络协议，有s就是内容在网络中传输会加密，安全性更高

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这就是substr的优势了，如果使用copy还要提前算数组有多长，提前开空间，substr底层自己管理很方便

3.5 find的四个接口

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若原串中有和子串有匹配的字符，返回原串该字符的下标，也就是原串中所有的字符都要和字串中的每个字符挨个比对一遍

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和前面的功能是一样的，不过是从后向前找

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若原串中有和子串有不匹配的字符，返回原串不匹配字符的下标，也就是原串中所有的字符都要和字串中的每个字符挨个比对一遍

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find_last_not_of是倒着向前找

3.6 relational operators

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比较的时候使用运算符重载，该接口没有重载为成员函数，而是重载为全局函数的原因就是可以支持string和string比较，const字符串和string比较，string和const字符串比较等等，重载为成员函数，第一个参数就是隐含的this指针，传参的时候第一个参数一定要传string

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str和url比较，不可以直接写为str<url，会存在运算符优先级问题，因为<<也是一个运算符，其优先级高于<。（cout<<str）会把str输出到流对象之中，流对象会返回一个ostream类型的对象，ostream类型的对象面对小于符号无法解析，编译就会报错

比较大小是按ASCII码比较的，图中就是h和P来比较，P比h小（ASCII码表中大写的字母在前，小写的字母在后），ASCII码小的就小，ASCII码相等再去比较下一个字符

3.7 operator+

重载的+=是成员函数，+是不是成员函数

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这样设计的原因也和前面的relatonal operators一样

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用+需要谨慎，substr和+是传值返回（返回的是返回对象的拷贝），代价更大一些。但现在的编译器依旧优化的很好了，在C++11之后，传值返回优化的依旧效率很高了，如果用拷贝的方式接收，几乎达到不拷贝的程度，这部分我在类和对象下写过

string ret = str + "xxxx";

优化时，str + “xxxx”;的返回值会直接成为ret的别名，但是这种优化只有在新的编译器上才有的，这种优化能力C++标准还没有规定，所以还是要注意

四、string接口的应用

4.1 用字符替换空格（find）

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该题就可以使用replace将空格替换为%%，首先需要使用find接口找到空格，代码中使用第三个版本，第二个参数默认从0位置开始找

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由于返回值是size_t，是无符号整型，找到和没找到就靠npos，npos是静态成员变量，属于string类域

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代码中不断地向后寻找空格的逻辑，find的底层就实现了

该方法的缺点就是效率很低，尤其是面对这样一个字符串

string s4("hello            world hello yunze");

一个空格替换为两个百分号，后面的内容就要挪动一次，每次替换都意味着大量的挪动，挪动又是循环，空格多的时候有很大的性能浪费

下面是一个新的方法

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该方法将所有的空格替换为了%，但是完全没有挪动数据 由于+=就是插入，空间不够是要扩容的，reserve这句的作用是提前扩容，如果串很长，可以一定程度上减少扩容。更精准的扩容就是把空格数计算出来也加进去