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C++【string类，模拟实现string类】

news 2024/11/5 21:07:13

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目录

为什么学习string类

C语言中的字符串

标准库中的string类

auto和范围for

auto关键字

 迭代器

范围for

string类的常用接口说明和使用

1. string类对象的常见构造

2.string类对象的容量操作

3.string类对象的访问及遍历操作  

4. string类对象的修改操作  

【push_back】在字符串后尾插字符c

 【append】在字符串后追加一个字符串

【find + npos(重 点)】从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的 位置

【rfind】从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的 位置。

【erase】从字符串中删除字符

5.string类非成员函数

【operator+】尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低

【operator>> （重点）】输入运算符重载

【operator<< （重点）】输出运算符重载

【getline （重点）】获取一行字符串

【relational operators （重点）】大小比较

string类的模拟实现

经典的string类问题

 浅拷贝

 深拷贝

浅拷贝（Shallow Copy）

深拷贝（Deep Copy）

写时拷贝(了解)

为什么学习string类

C语言中的字符串

C语言中，字符串是以'\0'结尾的一些字符的集合，为了操作方便，C标准库中提供了一些str系列 的库函数，但是这些库函数与字符串是分离开的，不太符合OOP的思想，而且底层空间需要用户 自己管理，稍不留神可能还会越界访问。

标准库中的string类

在使用string类时，必须包含#include头文件以及using namespace std;

auto和范围for

auto关键字

在这里补充2个C++11的小语法，方便我们后面的学习。

  • 在早期C/C++中auto的含义是：使用auto修饰的变量，是具有自动存储器的局部变量，后来这个 不重要了。C++11中，标准委员会变废为宝赋予了auto全新的含义即：auto不再是一个存储类型 指示符，而是作为一个新的类型指示符来指示编译器，auto声明的变量必须由编译器在编译时期 推导而得。
  • 用auto声明指针类型时，用auto和auto*没有任何区别，但用auto声明引用类型时则必须加&
  • 当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际 只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。
  • auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用
  • auto不能直接用来声明数组

auto声明的变量编译器会推导而得类型。

这个typeid是获取变量的真实的类型，

我们可以看到类型是对得上的。

不能没有值

// 编译报错:rror C3531: “e”: 类型包含“auto”的符号必须具有初始值设定项auto e;

 auto不能作为函数的参数，可以做返回值，但是建议谨慎使用

 

auto不能用来声明数组

当在同一行声明多个变量时，这些变量必须是相同的类型，否则编译器将会报错，因为编译器实际 只对第一个类型进行推导，然后用推导出来的类型定义其他变量。

 迭代器

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/begin/

迭代器类似于指针，它指向容器中的一个元素，并且可以通过递增或递减来移动到下一个或前一个元素。迭代器提供了一组操作，如解引用（*），递增（++），递减（--），比较（==, !=）等。

add.begin()是指向第一个元素，

add.end()是指向最后一个元素，

通过i遍历每个字符

在这个例子中，add.begin()返回一个指向vec第一个元素的迭代器，add.end()返回一个指向add最后一个元素之后位置的迭代器。循环中，i被用来遍历add中的元素，*i用来访问当前元素的值。

迭代器使得算法可以与容器解耦，提高了代码的复用性和灵活性。

范围for

  • 对于一个有范围的集合而言，由程序员来说明循环的范围是多余的，有时候还会容易犯错误。因此 C++11中引入了基于范围的for循环。for循环后的括号由冒号“ ：”分为两部分：第一部分是范围 内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围，自动迭代，自动取数据，自动判断结束。
  • 范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历
  • 范围for的底层很简单，容器遍历实际就是替换为迭代器，这个从汇编层也可以看到。

范围for底层就是迭代器，范围for可以作用到数组和容器对象上进行遍历。

为什么要在auto后面加引用呢？

通过引用遍历可以避免不必要的拷贝构造函数的调用，从而提高性能。

这样做有几个优点：

性能优化：如果容器中的元素很大，或者元素是复杂类型（如类对象），通过引用遍历可以避免不必要的拷贝构造函数的调用，从而提高性能。

修改元素：如果需要在循环中修改容器中的元素，必须通过引用来遍历它们。如果不使用引用，循环变量将是容器中元素的一个副本，对

副本的修改不会影响到原始容器中的元素。

举个例子，auto& 告诉编译器，num 是一个引用 add容器中的实际元素，而不是一个副本。因此，如果对 num 的修改会直接 add中的元素。

string类的常用接口说明和使用

在C++中，std::string 类是标准库的一部分，它提供了一个方便的接口来处理字符串。std::string 位于 <string> 头文件中，并且是 std 命名空间的一部分。

#include<string>

1. string类对象的常见构造

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/string/

(constructor)函数名称功能说明
string() （重点） 构造空的string类对象，即空字符串
string(const char* s) （重点） 用C-string来构造string类对象
string(size_t n, char c)string类对象中包含n个字符c
string(const string&s) （重点） 拷贝构造函数

 

#include<iostream>
using namespace std;
#include<string>int main()
{string s1;         //构造空的string对象string s2("hello");//用字符串构造string对象string s3(10, 'w');//用10个w构造string对象string s4(s2);     //拷贝构造函数return 0;
}

2.string类对象的容量操作

函数名称 功能说明
size（重点）返回字符串有效字符长度
capacity 返回空间总大小
empty （重点）检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false
clear （重点）清空有效字符
reserve （重点）为字符串预留空间**
resize （重点）将有效字符的个数该成n个，多出的空间用字符c填充

size我们可以看到字符串有效字符长度是5

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/size/

 capacity返回空间总大小

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/capacity/

明明只有4个字符，空间大小怎么会是15呢？

因为底层有个16大小的数组存放数据，

当我们给满16个字符，会自动扩容到32大小的空间。

empty（重点）检测字符串释放为空串，是返回true，否则返回false

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/empty/

是空字符串返回true就是1，不是空字符串返回false就是0

clear （重点）清空有效字符

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/clear/

我们可以看到清空了有效字符，但是空间大小不变。

reserve （重点）为字符串预留空间**

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/reserve/

reserve 也就是扩容空间的意思。

数据很多的话，我们可以提前扩容空间避免多次2倍扩容。

 

 resize （重点）将有效字符的个数改成n个，多出的空间用\0填充

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/resize/

字符不变，多出来的空间都用\0填充。

这里是3，abc保留，cdef被清除。

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，reserver不会改变容量大小。

3.string类对象的访问及遍历操作  

函数名称功能说明
operator[] （重 点）返回pos位置的字符，const string类对象调用
begin+ endbegin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位 置的迭代器
rbegin + rendbegin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位 置的迭代器
范围forC++11支持更简洁的范围for的新遍历方式

 operator[] （重 点）返回pos位置的字符，const string类对象调用】

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operator[]/

rbegin + rend     begin获取一个字符的迭代器 + end获取最后一个字符下一个位 置的迭代器。

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/rbegin/

正向迭代器是iterator，反向迭代器是reverse_iterator。

reverse_iterator 是标准库提供的一种迭代器适配器，它允许我们以逆序的方式遍历容器。reverse_iterator 的设计是为了简化反向遍历容器的过程，使得我们可以像使用普通迭代器一样使用它，但方向相反。

以下是使用 reverse_iterator 的几个主要原因：

1.简化代码：使用 reverse_iterator 可以避免手动计算容器的结束位置和开始位置之间的偏移量，从而简化代码。

2.一致性：它提供了一种与普通迭代器使用方式一致的方法来反向遍历容器，使得代码更加直观和易于理解。

3.与算法兼容：许多标准库算法都设计为与迭代器一起工作。通过使用 reverse_iterator，我们可以将这些算法应用于容器的反向遍历，而无需修改算法本身。

4.安全性：使用 reverse_iterator 可以减少由于手动计算迭代器位置而可能引入的错误。

4. string类对象的修改操作  

函数名称
push_back在字符串后尾插字符c
append在字符串后追加一个字符串
operator+= (重 点)在字符串后追加字符串str
c_str(重点)返回C格式字符串
find + npos(重 点)从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的 位置
rfind从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的 位置
substr在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回
erase从字符串中删除字符 

【push_back】在字符串后尾插字符c

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/push_back/

 【append】在字符串后追加一个字符串

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/append/

abcdefg插入了1111的后面

 

【operator+= (重 点)】 在字符串后追加字符串str

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operator+=/

可以+=字符串和字符

也可以+=一个对象

 【c_str(重点)】返回C格式字符串

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/c_str/

可以返回字符串

【find + npos(重 点)】从字符串pos位置开始往后找字符c，返回该字符在字符串中的 位置

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/find/

在字符串中查找内容

下面我们可以看到，从0下标位置开始查找9这个字符，找到了返回9的下标，没有找到返回-1

没有找到交换返回-1

【rfind】从字符串pos位置开始往前找字符c，返回该字符在字符串中的 位置。

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/rfind/

我们不写下标，默认从最后一个下标开始往前查找。

找到了返回下标，没有找到返回-1。

【substr 】 在str中从pos位置开始，截取n个字符，然后将其返回

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/substr/

从3下标开始截取4个字符，给s2。

我们也可以用find查找a这个下标， 然后通过i下标这个位置截取3个字符。

【erase】从字符串中删除字符

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/erase/

下面我们可以看到，从下标1删除到下标5，就只剩下a和g了。

5.string类非成员函数

函数功能说明
operator+尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低
operator>> （重点）输入运算符重载
operator<< （重点）输出运算符重载
getline （重点）获取一行字符串
relational operators （重点）大小比较

【operator+】尽量少用，因为传值返回，导致深拷贝效率低

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operator+/

我们可以看到s1是您好，s2是落叶，加起来就是您好落叶。

我们也可以加字符串

【operator>> （重点）】输入运算符重载

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operator%3E%3E/

可以往s1对象，输入字符串,

但是遇到空格就会停止

【operator<< （重点）】输出运算符重载

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operator%3C%3C/

【getline （重点）】获取一行字符串

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/getline/

这个它遇到空格不会停止，会继续往后读取字符串，也会把空格给读取了。

【relational operators （重点）】大小比较

https://legacy.cplusplus.com/reference/string/string/operators/

计算比较大小，如果大于为真，返回1，为假返回0。

string类的模拟实现

经典的string类问题

上面已经对string类进行了简单的介绍，大家只要能够正常使用即可。在面试中，面试官总喜欢让 学生自己来模拟实现string类，最主要是实现string类的构造、拷贝构造、赋值运算符重载以及析 构函数。大家看下以下string类的实现是否有问题？

// 为了和标准库区分，此处使用String
class String
{
public:/*String():_str(new char[1]){*_str = '\0';}*///String(const char* str = "\0") 错误示范//String(const char* str = nullptr) 错误示范String(const char* str = ""){// 构造String类对象时，如果传递nullptr指针，可以认为程序非if (nullptr == str){assert(false);return;}_str = new char[strlen(str) + 1];strcpy(_str, str);}~String(){if (_str){delete[] _str;_str = nullptr;}}
private:char* _str;
};
// 测试
void TestString()
{String s1("hello bit!!!");String s2(s1);
}

说明：上述String类没有显式定义其拷贝构造函数与赋值运算符重载，此时编译器会合成默认 的，当用s1构造s2时，编译器会调用默认的拷贝构造。最终导致的问题是，s1、s2共用同一块内 存空间，在释放时同一块空间被释放多次而引起程序崩溃，这种拷贝方式，称为浅拷贝。

 浅拷贝

浅拷贝：也称位拷贝，编译器只是将对象中的值拷贝过来。如果对象中管理资源，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违规。

就像一个家庭中有两个孩子，但父母只买了一份玩具，两个孩子愿意一块玩，则万事大吉，万一 不想分享就你争我夺，玩具损坏。

可以采用深拷贝解决浅拷贝问题，即：每个对象都有一份独立的资源，不要和其他对象共享。父 母给每个孩子都买一份玩具，各自玩各自的就不会有问题了。

 深拷贝

如果一个类中涉及到资源的管理，其拷贝构造函数、赋值运算符重载以及析构函数必须要显式给 出。一般情况都是按照深拷贝方式提供。

浅拷贝（Shallow Copy）

浅拷贝通常指的是对象之间的简单位拷贝（bitwise copy），这意味着新对象和原对象将共享相同的资源。在C++中，如果你没有显式地定义拷贝构造函数和赋值运算符，编译器会为你生成默认的版本，这些默认版本执行的是浅拷贝。

对于 std::string 来说，浅拷贝是不存在的，因为 std::string 内部管理着自己的动态内存。当你进行拷贝构造或赋值操作时，std::string 会执行深拷贝。这意味着新创建的字符串对象拥有自己独立的内存空间，与原字符串对象不共享任何资源。

深拷贝（Deep Copy）

深拷贝指的是创建一个新对象，并且递归地复制原对象中的所有元素，使得新对象和原对象完全独立。在 std::string 的情况下，每次你进行拷贝构造或赋值操作时，都会执行深拷贝

 stringl类模拟实现【代码】

string.h

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1#pragma once
#include<iostream>
#include<assert.h>
using namespace std;namespace bit
{class string{public://迭代器typedef char* iterator;static const int npos;string(const char* str = "");string(const string& s);~string();///扩容void reserve(size_t n);//尾插字符void push_back(char ch);//尾插字符串void append(const char* str);string& operator+=(char ch);string& operator+=(const char* str);//传统string& operator=(const string& s);//现代string& operator=(string s);//清除字符void clear(){_str[0] = '\0';_size = 0;}//首字符iterator begin(){return _str;}//最后的iterator end(){return _str + _size;}//返回_strchar* c_str() const{return _str;}//size_t size()const{return _size;}size_t capacity()const{return _capacity;}//指定位置修改字符char& operator[](size_t index){assert(index < _size);return _str[index];}//指定位置修改字符const char& operator[](size_t index)const{assert(index < _size);return _str[index];}////查询字符size_t find(char ch, size_t pos = 0);//查询字符串size_t find(const char* str, size_t pos = 0);//指定位置插入字符string& insert(size_t pos, char c);//指定位置插入字符串string& insert(size_t pos, const char* str);// 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);//调整字符串大小void resize(size_t n, char c = '\0');//判断字符串是不是空bool empty()const;//字符串交换void swap(string& s){std::swap(_str, s._str);std::swap(_size, s._size);std::swap(_capacity, s._capacity);}void swap(string& s, string& s1){s.swap(s1);}//流插入friend ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s);//流提取friend istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& s);private:char* _str;size_t _size;size_t _capacity;};//判断大于-小于-大于等于 - 小于等于 - 等于 - 不等于bool operator<(const string& lhs, const string& rhs);bool operator>(const string& lhs, const string& rhs);bool operator<=(const string& lhs, const string& rhs);bool operator>=(const string& lhs, const string& rhs);bool operator==(const string& lhs, const string& rhs);bool operator!=(const string& lhs, const string& rhs);
}

string.cpp

#include"string.h"namespace bit
{const int string::npos = -1;//构造string::string(const char* str):_size(strlen(str)){_capacity = _size;_str = new char[_size + 1];strcpy(_str, str);}深拷贝-(传统写法)//string::string(const string& s)//{//	_str = new char[s._capacity + 1];//	strcpy(_str, s._str);//	_size = s._size;//	_capacity = s._capacity;//}//深拷贝-(现代写法)string::string(const string& s){string tmp(s._str);swap(tmp);}//析构string::~string(){delete[] _str;_str = nullptr;_size = 0;_capacity = 0;}/////扩容void string::reserve(size_t n){cout << "reserve:"<< n << endl;if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];strcpy(tmp, _str);delete[] _str;_str = tmp;_capacity = n;}}//尾插字符void string::push_back(char ch){if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}_str[_size] = ch;_size++;}//尾插字符串void string::append(const char* str){size_t len = strlen(str);if ((_size + len) > _capacity){size_t tmp = _capacity * 2;if (tmp < (_size + len)){tmp = (_size + len);}reserve(tmp);}strcpy(_str + _size, str);_size += len;}string& string::operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}string& string::operator+=(const char* str){append(str);return  *this;}赋值-(传统写法)//string& string::operator=(const string& s)//{//	if (this != &s)//	{//		delete[] _str;//		_str = new char[s._capacity + 1];//		strcpy(_str, s._str);//		_size = s._size;//		_capacity = s._capacity;//	}//	return *this;//}//赋值-(现代写法) string& string::operator=(string s){swap(s);return *this;}//查询字符size_t string::find(char ch, size_t pos){assert(pos < _size);for (size_t i = pos; i < _size; i++){if (ch == _str[i]){return i;}}return npos;}//查询字符串size_t string::find(const char* str, size_t pos){assert(pos < _size);const char* tmp = strstr(_str + pos, str);if (tmp == __nullptr){return npos;}return tmp - _str;}//在字符串里插入字符string& string::insert(size_t pos, char ch){assert(pos < _size);if (_size == _capacity){reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2);}//循环移动字符int i = _size;while ((int)pos <= i){_str[i + 1] = _str[i];i--;}//在pos位置插入字符_str[pos] = ch;_size++;return *this;}//指定位置插入字符串string& string::insert(size_t pos, const char* str){size_t len = strlen(str);if ((_size + len) > _capacity){size_t tmp = _capacity * 2;if (tmp < (_size + len)){tmp = (_size + len);}reserve(tmp);}//循环往后移动字符size_t i = _size + len;while (pos < i){_str[i] = _str[i - len];i--;}//循环把str的字符一个一个，赋值给_str[pos+i]的位置for (size_t i = 0; i < len; i++){_str[pos + i] = str[i];}_size + len;return *this;}//指定位置删除字符串string& string::erase(size_t pos, size_t len){if (len >= _size - pos){_str[pos] = '\0';_size = pos;}else{size_t i = pos + len;while (i <= _size){_str[i - len] = _str[i];i++;}_size = _size - len;}return *this;}//判断大于-小于-大于等于 - 小于等于 - 等于 - 不等于bool operator<(const string& lhs, const string& rhs){return strcmp(lhs.c_str(), rhs.c_str()) < 0;}bool operator>(const string& lhs, const string& rhs){return !(lhs <= rhs);}bool operator<=(const string& lhs, const string& rhs){return (lhs < rhs) || (lhs == rhs);}bool operator>=(const string& lhs, const string& rhs){return !(lhs < rhs);}bool operator==(const string& lhs, const string& rhs){return strcmp(lhs.c_str(), rhs.c_str()) == 0;}bool operator!=(const string& lhs, const string& rhs){return !(lhs == rhs);}//调整字符串大小void string::resize(size_t n, char c){_str[n] = c;}//删除pos位置上的元素，并返回该元素的下一个位置bool string::empty()const{if (_size != 0){return false;}else{return true;}}//流插入ostream& operator<<(ostream& _cout, const bit::string& s){for (size_t i = 0; i < s._size; i++){_cout << s._str[i];}return _cout;}//流提取istream& operator>>(istream& _cin, bit::string& str){str.clear();int i = 0;char buff[256];char ch;ch = _cin.get();while (ch != ' ' && ch != '\n'){buff[i++] += ch;if (i == 255){buff[i] = '\0';str += buff;i = 0;}ch = _cin.get();}if (i > 0){buff[i] = '\0';str += buff;}return _cin;}}

test.cpp【测试】

#include"string.h"//int main()
//{
//	bit::string n("asdasdf");
//	n += 'w';
//	cout << n.c_str() << endl;
//}//int main()
//{
//	bit::string n("asfsddfgdf");
//	//迭代器
//	bit::string::iterator i = n.begin();
//	while (i != n.end())
//	{
//		cout << *i << endl;
//		i++;
//	}
//}//int main()
//{
//	bit::string n("qweeqqqw");
//	//n.clear();
//	//cout << n.c_str() << endl;
//	n.insert(0, "11111111");
//	cout << n.c_str() << endl;
//}//int main()
//{
//	bit::string n("11223344556677");
//	/*n.erase(4, 99);*/
//	n[2] = 'x';
//	cout << n.c_str() << endl;
//}//int main()
//{
//	bit::string n("11223344556677");
//	bit::string s1(n);
//	cout << (n < s1) << endl;
//	cout << (n > s1) << endl;
//	cout << (n <= s1) << endl;
//	cout << (n >= s1) << endl;
//	cout << (n == s1) << endl;
//	cout << (n != s1) << endl;
//
//}//int main()
//{
//	bit::string n("11223344556677");
//	/*n.resize(8,'y');
//	n.resize(8);
//	cout << n.c_str() << endl;*/
//	
//	cout << n.empty() << endl;
//}//int main()
//{
//	string n("1122");
//	string s1("qqwee");
//	n.swap(s1);
//	cout << n << endl;
//	cout << s1 << endl;
//}int main()
{bit::string n("112233");bit::string n1 = n;//bit::string s1("qweqwer");//n.swap(s1);//cout << n << endl;//cout << s1 << endl;/*cin >> n;cout << n << endl;*///getline(cin, n);//n = n1;//swap(n, n1);//swap(n,n1);//cout << n << endl;cout << n1 << endl;
}

写时拷贝(了解)

写时拷贝就是一种拖延症，是在浅拷贝的基础之上增加了引用计数的方式来实现的。

引用计数：用来记录资源使用者的个数。在构造时，将资源的计数给成1，每增加一个对象使用该 资源，就给计数增加1，当某个对象被销毁时，先给该计数减1，然后再检查是否需要释放资源， 如果计数为1，说明该对象时资源的最后一个使用者，将该资源释放；否则就不能释放，因为还有 其他对象在使用该资源。  

写时拷贝

写时拷贝在读取是的缺陷


http://www.mrgr.cn/news/66283.html

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