【C++篇】string类的终章：深浅拷贝 + 模拟实现string类的深度解析（附源码）

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前言

本文将通过一个自定义的字符串类实现（zhh::string zhh是一个我自定义的作用域），深入探讨string类的核心设计思路与实现细节，以及为什么在拷贝构造和赋值运算符重载的实现需要用深拷贝。该代码模拟了标准库std::string的一些核心功能，包括动态内存管理、迭代器、常用操作符重载等。同时也借此对深浅拷贝进行实际上的应用。

源码在文章末尾

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深浅拷贝

一、浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，仅仅这是将值拷贝过来。

我们平时C语言中使用的赋值，以及函数传值，都是浅拷贝。

如果在对象中使用，最后就会导致多个对象共享同一份资源，当一个对象销毁时就会将该资源释放掉，而此时另一些对象不知道该资源已经被释放，以为还有效，所以当继续对资源进项操作时，就会发生发生了访问错误。

浅拷贝的问题

浅拷贝 仅复制指针的值（地址），导致多个对象共享同一块内存：

class String {
public:char* data;// 假设有浅拷贝构造函数String(const String& other) : data(other.data) {}
};String s1("Hello");
String s2 = s1; // 浅拷贝：s2.data 和 s1.data 指向同一内存

问题：

• 修改冲突：修改 s1 会影响 s2。
• 重复释放：析构时 s1 和 s2 会尝试释放同一块内存，导致崩溃。
• 悬空指针：一个对象被析构后，另一个对象的指针失效。

那么，如何使得每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享？

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二、深拷贝

深拷贝 是一种内存管理技术，其核心是完整复制对象及其动态分配的资源，生成一个与原对象完全独立的新对象。在C++中，当类包含指针成员并指向堆内存时，必须通过深拷贝来避免以下问题：

深拷贝的实现

深拷贝通过分配新内存并复制内容，确保对象间的独立性。

在实现string类中的拷贝构造函数以及赋值运算符重载都需要用到深拷贝：

拷贝构造函数

string(const string& s) {_str = new char[s._capacity + 1]; // 分配新内存memcpy(_str, s._str, s._size + 1); // 复制内容（包含'\0'）_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}

• 关键点：为新对象分配独立的内存，并复制原对象的所有数据。

赋值运算符

传统写法：

string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){char* tmp = new char[s._capacity + 1];memcpy(tmp, s._str, s._size+1);delete[] _str;_str = tmp;_size = s._size;_capacity = s._capacity;}return *this;
}

• 深拷贝的经典写法

现代写法：

//string类的swap接口：将每个成员变量交换即可
void swap(string& s)
{std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);
}string& operator=(const string& s)
{if (this != &s){string tmp(s);swap(tmp);}return *this;
}

• 利用拷贝构造，用s构造tmp——代替new开辟空间与memcpy拷贝步骤
• 再将*this与tmp交换数据，利用局部对象tmp出函数作用域调用析构释放原*this的数据——代替delete释放原空间数据步骤

省略了大量代码，妙不可言

当今写法：

string& operator=(string tmp) {swap(tmp); // 交换资源，tmp 析构时释放原内存return *this;
}

点睛之笔：利用函数传值自动调用拷贝构造的原理——替代了手动调用拷贝构造

真是进了米奇妙妙屋了，妙的不能再妙了😏

• 优势：利用临时对象 tmp 的深拷贝，通过 swap 安全交换资源，天然避免自赋值问题。

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三、 总结

• 深拷贝是管理动态资源的类的必备实现，确保对象间的独立性。
• 浅拷贝仅适用于不涉及资源所有权的简单数据类型（如 int, double）。
• 在C++中，默认拷贝构造函数和赋值运算符是浅拷贝。若类需要深拷贝，必须手动实现拷贝控制函数（拷贝构造、赋值运算符、析构函数）。

通过正确实现深拷贝，可以避免内存泄漏、悬空指针和不可预测的行为，从而编写出健壮的C++程序。

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模拟实现string类

一、核心结构设计

1. 成员变量

class string {
private:char* _str;       // 字符串内容size_t _capacity; // 总容量（不包含'\0'）size_t _size;     // 当前长度const static size_t npos; // 特殊值，表示无效位置
};

• _str：动态分配的字符数组，存储字符串内容（以'\0'结尾）。
• _capacity：当前分配的内存容量（不包含'\0'的额外空间）。
• _size：字符串实际长度（包含'\0'的额外空间）。
• npos：静态常量，表示无效位置（定义为-1的无符号最大值）。

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二、关键功能实现

1. 构造函数与拷贝控制

1.1构造函数

string(const char* str = "") {_size = strlen(str);_capacity = _size;_str = new char[_capacity + 1];memcpy(_str, str, _size);_str[_size] = '\0';
}

• 支持从C风格字符串构造，默认构造空字符串。
• 使用memcpy高效拷贝数据，但需确保输入字符串以'\0'结尾。

1.2拷贝构造函数与赋值运算符

前文在讲解深拷贝时已详细介绍了，这里不再赘述了。

string(const string& s) {_str = new char[s._capacity + 1]; // 需分配足够空间（原实现有误）memcpy(_str, s._str, s._size + 1); // 包含'\0'_size = s._size;_capacity = s._capacity;
}string& operator=(string tmp) {swap(tmp); // 通过交换资源实现赋值return *this;
}

1.3析构函数

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

• 释放动态内存，重置成员变量。

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2. 迭代器

typedef char* iterator;
typedef const char* const_iterator;iterator begin() 
{ return _str; 
}iterator end() 
{ return _str + _size;
}const_iterator begin()const
{return _str;
}const_iterator end()const
{return _str + _size;
}

• 提供类似标准库的迭代器接口，支持范围for循环。

测试代码：

void TestString1()
{zhh::string s1("hello world");zhh::string::iterator it = s1.begin();while (it != s1.end()){cout << *it << " ";it++;}cout << endl;{for (auto ch : s1)cout << ch << "6";}cout << endl;
}

测试结果：

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3. capacity相关接口

3.1reserve扩容

void reserve(size_t n) {if (n > _capacity) {char* tmp = new char[n + 1];memcpy(tmp, _str, _size + 1); // 包含'\0'delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}
}

• 当给定的目标扩容值小于已有容量，容量保持不变。
• 使用memcpy提升性能，但需确保拷贝长度包含'\0'。

3.2resize调整大小

void resize(size_t n, char c = '\0') {if (n > _size) {reserve(n);for (size_t i = _size; i < n; ++i)_str[i] = c;}_str[n] = '\0'; // 确保终止符_size = n;
}

• 若n > _size，填充字符c；否则截断字符串。

3.3size获取大小

size_t size()const
{return _size;
}

3.4capacity获取容量

 size_t capacity()const{return _capacity;}

3.5empty判空

bool empty()const
{return _size == 0 ? true : false;
}

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4. modify相关接口

4.1push_back尾插字符

尾插字符很简单，在字符串尾部赋值即可，需要考虑的问题有：

• 容量是否足够？是否需要扩容？
• 如何扩？扩多大？
• 字符串结尾有没有附上\0结束标志？

解决问题：

• 检查容量方法：判断_capacity是否大于_size +1
• 扩容方式：调用reserve扩容。扩多大取决于自己，我这里是扩两倍
• 记得改变_size的值，最后在_size的位置赋上\0

代码：

void push_back(char c)
{//检查容量，不足就扩if (_capacity < _size + 1){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = c;++_size;_str[_size] = '\0';
}

4.2append在字符串结尾拼接字符串

思路与尾插字符差不多：检查容量->不足就扩->拼接->改变size
需要注意的是：

• 函数参数是指针，assert断言防止空指针传入
• 拼接方法：使用memcpy从字符串尾部开始拷贝
• size加上传入字符串长度即可
• size位置无需赋值\0，因为memcpy时可以顺带完成

代码：

 void append(const char* str){assert(str);size_t len = strlen(str);reserve(_size + len);memcpy(_str + _size, str, len);_size += len;}

4.3operator+=

这里复用push_back和append即可：

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

💡：我们平时需要尾插字符或字符串时一般都用这个接口，因为他完全可以代替push_back和append。但我们需要知道他的底层其实是由push_back和append实现的。

4.4clear 清空有效字符

在_str[0]的位置赋值\0即可

 void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}

4.5c_str获取C属性的字符串（字符串指针）

返回_str成员变量即可

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

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5. assess接口

这个其实我们前面已经用过了，是不是有种自来熟的感觉😂
返回字符串对应位置的字符即可

char& operator[](size_t index)
{assert(index < _size && index >= 0);return _str[index];
}const char& operator[](size_t index)const
{assert(index < _size && index >= 0);return _str[index];
}

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6. 字符串操作

6.1find查找字符或子串

• 查找字符：遍历查询即可
• 查找子串：使用strstr库函数实现高效查找。

代码：

// 返回c在string中第一次出现的位置
size_t find(char c, size_t pos = 0) const
{assert(pos >= 0);for (size_t i = pos; i < _size; ++i){if (_str[i] == c){return i;}}return npos;
}// 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
{char* ptr = strstr(_str + pos, s);if (ptr){return ptr - _str;}else{return npos;}}

6.2insert插入

6.2.1 插入字符

大体与push_back类似，但多了一个步骤——挪动数据
从尾部开始，将字符赋值到后面的一个位置，到pos位置结束（pos位置也要挪动）。

代码（有bug）：

 // 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){assert(pos < _size && pos >= 0);//检查容量，不足就扩if (_capacity < _size + 1){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}size_t end = _size;while (pos <= end){_str[end + 1] = _str[end];--end;}_str[pos] = c;++_size;return *this;}

聪明的你可以看出问题出在哪吗？
可以试试用pos = 0运行一下代码，会发现超时了，那应该就是循环的问题，我们锁定while的位置
走读代码，当end = 0，进入循环，–end得end = -1，end的类型是size_t，而-1是最大的无符号整数，所以我们循环进入了死循环。

处理方法：添加循环条件end != npos

正确代码：

 // 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){assert(pos < _size && pos >= 0);//检查容量，不足就扩if (_capacity < _size + 1){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}size_t end = _size;//当pos = 0 ，end会变为-1，成为最大无符号整数进入死循环//因此这里需补充条件end != nposwhile (pos <= end && end != npos){_str[end + 1] = _str[end];--end;}_str[pos] = c;++_size;return *this;}

6.2.2 插入字符串

插入字符串的挪动方式差不多：
方式是相同的，但挪动距离为len（插入的字符串长度）

代码：

string& insert(size_t pos, const char* str){assert(pos < _size && pos >= 0);size_t len = strlen(str);if (_size + len > _capacity){reserve(_size + len);}//挪动数据size_t end = _size;//当pos = 0 ，end会变为-1，成为最大无符号整数进入死循环//因此这里需补充条件end != nposwhile (end >= pos && end != npos){_str[end + len] = _str[end];--end;}for (size_t i = pos; i < pos + len; ++i){_str[i] = *str;++str;}_size += len;return *this;}

6.3erase删除

1. 如果需要删除的长度大于_size - pos，直接在pos位置赋值\0即可
2. 否则，将需要删除的部分挪到\0后面即可

// 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)
{if (len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';}else{size_t end = pos + len;for (size_t i = end; i <= _size; ++i){_str[end - len] = _str[end];end++;}}return *this;
}

6.4substr截取字符串

核心思想：创建一个临时对象，将需的字符依次尾插到这个对象，最后返回这个对象的值即可
注意：这里只能传值返回

string substr(size_t pos = 0, size_t len = npos)
{string tmp;size_t n = len;if (n > _size - pos || n == npos){n = _size - pos;}tmp.reserve(n);for (size_t i = pos; i < pos + n; ++i){tmp += _str[i];}//返回值传值，调用拷贝构造return tmp;//返回值不可用引用，否则出作用域调用析构，非法访问
}

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7. 关系运算符重载

一共有6个关系运算符：< > == <= >= !=
其实我们只需要实现两个即可（<或>和==）

核心问题：如何比较两个字符串大小？

在编程中，两个字符串的大小比较通常是基于字典序进行的，类似于字典中单词的排列顺序。具体规则如下：

比较规则

1. 逐字符比较：

   • 从左到右依次比较两个字符串的每个字符的ASCII码值
   • 如果某位置的字符不同，直接根据这两个字符的ASCII码值大小决定字符串大小。
     示例：
     "apple" 和 "apricot"：
     第3个字符 'p'（ASCII 112） < 'r'（ASCII 114），所以 "apple" < "apricot"。

2. 长度比较：

   • 如果所有对应字符均相同，则较长的字符串更大。
     示例：
     "hello" 和 "hell"：前4字符相同，但前者更长，所以 "hello" > "hell"。

3. 完全相等：

   • 如果所有字符相同且长度相同，则两字符串相等。

实现思路：

• 先比较短字符串长度较短的长度，如果谁大，那么谁就大；如果相等，那么字符串长度较长的字符串更大，如果字符串长度也相等，那么相等。

 bool operator<(const string& s){int ret = memcmp(_str, s._str, _size < s._size ? _size : s._size);return ret == 0 ? _size < s._size : ret < 0;}bool operator==(const string& s){return _size == s._size && memcmp(_str, s._str, _size) == 0;}bool operator<=(const string& s){return *this < s || *this == s;}bool operator>(const string& s){return !(*this <= s);}bool operator>=(const string& s){return !(*this < s);}bool operator!=(const string& s){return !(*this == s);}

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8. 流插入与流提取运算符重载

我们上一期知道：这两个运算符重载不能作为成员函数（为了使得对象参数作为第二个参数），需要在类外实现，必要的话可以将它们声明为类的友元。

流插入比较简单，遍历流插入字符即可：

ostream& operator<<(ostream& out, const zhh::string& s)
{for (auto ch : s){out << ch;}return out;
}

而流提取就比较麻烦了。

1. 每次输入都需要清空字符串（使用clear）。
2. 清理缓存区的空格与换行（清除输入的字符串头部的空格与换行）。
3. 实现时不能用流提取，否则会造成流堵塞（输入空格与换行无法结束输入），使用get()可以解决这个问题
4. 如果我们一次输入较多数据会造成频繁扩容，效率低下。
   我们可以用数组来解决这个问题：
   定义一个buff[128]，我们将输入的数据存入数组，
   情况1：输入结束且数组未满，直接将数组中的字符尾插到目标字符串。
   情况2：输入未结束且数组已满，将数组中的字符尾插到目标字符串，继续从数组的起始位置重新存输入的数据，循环往复。
   注意：每次要尾插数据前，要在数组的有效数据后赋值\0，否则会造成数据错乱。

 istream& operator>>(istream& in, zhh::string& s){//清理原数据s.clear();char ch = '\0';//清理缓存区的空格与换行while (ch == ' ' || ch == '\n'){ch = in.get();}char buff[128];int i = 0;while (ch != ' ' && ch != '\n'){ch = in.get();buff[i++] = ch;if (i == 127)//留一个位置放\0{buff[i] = '\0';s += buff;i = 0;}}if (i != 0){buff[i] = '\0';s += buff;}return in;}
}

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源码自取：模拟实现string类

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