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

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。

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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 Worldreturn 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 Worldreturn 0;
}

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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：

1. 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()。
2. clear()只是将string中有效字符清空，不改变底层空间大小。
3. 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。
4. 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。
5. 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：

1. 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。
2. 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 + +

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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)

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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

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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

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3.1.3 相关链接

• C++ string::find() 文档
• C++ string::rfind() 文档
• C++ string::find_first_of() 文档
• C++ string::find_last_of() 文档

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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

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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

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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

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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

• C++ string::insert() 文档
• C++ string::erase() 文档

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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

• C++ to_string() 文档
• C++ stoi()文档

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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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