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詳細解說(shuō)STL string -- STLDetailString

詳細解說(shuō)STL string

0 前言: string 的角色

C++ 語(yǔ)言是個(gè)十分優(yōu)秀的語(yǔ)言,但優(yōu)秀并不表示完美。還是有許多人不愿意使用C或者C++,為什么?原因眾多,其中之一就是C/C++的文本處理功能太麻煩,用起來(lái)很不方便。以前沒(méi)有接觸過(guò)其他語(yǔ)言時(shí),每當別人這么說(shuō),我總是不屑一顧,認為他們根本就沒(méi)有領(lǐng)會(huì )C++的精華,或者不太懂C++,現在我接觸perl, php, 和Shell腳本以后,開(kāi)始理解了以前為什么有人說(shuō)C++文本處理不方便了。

舉例來(lái)說(shuō),如果文本格式是:用戶(hù)名 電話(huà)號碼,文件名name.txt

Tom 23245332Jenny 22231231Heny 22183942Tom 23245332...
現在我們需要對用戶(hù)名排序,且只輸出不同的姓名。

那么在shell 編程中,可以這樣用:

awk '{print $1}' name.txt | sort | uniq 
簡(jiǎn)單吧?

如果使用C/C++ 就麻煩了,他需要做以下工作:

  1. 先打開(kāi)文件,檢測文件是否打開(kāi),如果失敗,則退出。
  2. 聲明一個(gè)足夠大得二維字符數組或者一個(gè)字符指針數組
  3. 讀入一行到字符空間
  4. 然后分析一行的結構,找到空格,存入字符數組中。
  5. 關(guān)閉文件
  6. 寫(xiě)一個(gè)排序函數,或者使用寫(xiě)一個(gè)比較函數,使用qsort排序
  7. 遍歷數組,比較是否有相同的,如果有,則要刪除,copy...
  8. 輸出信息
你可以用C++或者C語(yǔ)言去實(shí)現這個(gè)流程。如果一個(gè)人的主要工作就是處理這種類(lèi)似的文本(例如做apache的日志統計和分析),你說(shuō)他會(huì )喜歡C/C++么?

當然,有了STL,這些處理會(huì )得到很大的簡(jiǎn)化。我們可以使用 fstream來(lái)代替麻煩的fopen fread fclose, 用vector 來(lái)代替數組。最重要的是用 string來(lái)代替char * 數組,使用sort排序算法來(lái)排序,用unique 函數來(lái)去重。聽(tīng)起來(lái)好像很不錯

??纯聪旅娲a(例程1):
#include <string>#include <iostream>#include <algorithm>#include <vector>#include <fstream>using namespace std;int main(){ifstream in("name.txt");string strtmp;vector<string> vect;while(getline(in, strtmp, '\n'))vect.push_back(strtmp.substr(0, strtmp.find(' ')));sort(vect.begin(), vect.end());vector<string>::iterator it=unique(vect.begin(), vect.end());copy(vect.begin(), it, ostream_iterator<string>(cout, "\n"));return 0;}
也還不錯吧,至少會(huì )比想象得要簡(jiǎn)單得多?。ùa里面沒(méi)有對錯誤進(jìn)行處理,只是為了說(shuō)明問(wèn)題,不要效仿).

當然,在這個(gè)文本格式中,不用vector而使用map會(huì )更有擴充性,例如,還可通過(guò)人名找電話(huà)號碼等等,但是使用了map就不那么好用sort了。你可以用map試一試。

這里string的作用不只是可以存儲字符串,還可以提供字符串的比較,查找等。在sort和unique函數中就默認使用了less 和equal_to函數, 上面的一段代碼,其實(shí)使用了string的以下功能:

  1. 存儲功能,在getline() 函數中
  2. 查找功能,在find() 函數中
  3. 子串功能,在substr() 函數中
  4. string operator < , 默認在sort() 函數中調用
  5. string operator == , 默認在unique() 函數中調用

總之,有了string 后,C++的字符文本處理功能總算得到了一定補充,加上配合STL其他容器使用,其在文本處理上的功能已經(jīng)與perl, shell, php的距離縮小很多了。 因此掌握string 會(huì )讓你的工作事半功倍。

1 string 使用

其實(shí),string并不是一個(gè)單獨的容器,只是basic_string 模板類(lèi)的一個(gè)typedef 而已,相對應的還有wstring, 你在string 頭文件中你會(huì )發(fā)現下面的代碼:
extern "C++" {typedef basic_string <char> string;typedef basic_string <wchar_t> wstring;} // extern "C++"
由于只是解釋string的用法,如果沒(méi)有特殊的說(shuō)明,本文并不區分string 和 basic_string的區別。

string 其實(shí)相當于一個(gè)保存字符的序列容器,因此除了有字符串的一些常用操作以外,還有包含了所有的序列容器的操作。字符串的常用操作包括:增加、刪除、修改、查找比較、鏈接、輸入、輸出等。詳細函數列表參看附錄。不要害怕這么多函數,其實(shí)有許多是序列容器帶有的,平時(shí)不一定用的上。

如果你要想了解所有函數的詳細用法,你需要查看basic_string,或者下載STL編程手冊。這里通過(guò)實(shí)例介紹一些常用函數。

1.1 充分使用string 操作符

string 重載了許多操作符,包括 +, +=, <, =, , [], <<, >>等,正式這些操作符,對字符串操作非常方便。先看看下面這個(gè)例子:tt.cpp(例程2)
#include <string>#include <iostream>using namespace std;int main(){string strinfo="Please input your name:";cout << strinfo ;cin >> strinfo;if( strinfo == "winter" )cout << "you are winter!"<<endl;else if( strinfo != "wende" )cout << "you are not wende!"<<endl;else if( strinfo < "winter")cout << "your name should be ahead of winter"<<endl;elsecout << "your name should be after of winter"<<endl;strinfo += " , Welcome to China!";cout << strinfo<<endl;cout <<"Your name is :"<<endl;string strtmp = "How are you? " + strinfo;for(int i = 0 ; i < strtmp.size(); i ++)cout<<strtmp[i];return 0;} 

下面是程序的輸出

-bash-2.05b$ make ttc++  -O -pipe -march=pentiumpro  tt.cpp  -o tt-bash-2.05b$ ./ttPlease input your name:Heroyou are not wende!Hero , Welcome to China!How are you? Hero , Welcome to China!

有了這些操作符,在STL中仿函數都可以直接使用string作為參數,例如 less, great, equal_to 等,因此在把string作為參數傳遞的時(shí)候,它的使用和int 或者float等已經(jīng)沒(méi)有什么區別了。例如,你可以使用:

map<string, int> mymap;//以上默認使用了 less<string>
有了 operator + 以后,你可以直接連加,例如:
string strinfo="Winter";string strlast="Hello " + strinfo + "!";//你還可以這樣:string strtest="Hello " + strinfo + " Welcome" + " to China" + " !";
看見(jiàn)其中的特點(diǎn)了嗎?只要你的等式里面有一個(gè) string 對象,你就可以一直連續"+",但有一點(diǎn)需要保證的是,在開(kāi)始的兩項中,必須有一項是 string 對象。其原理很簡(jiǎn)單:
  1. 系統遇到"+"號,發(fā)現有一項是string 對象。
  2. 系統把另一項轉化為一個(gè)臨時(shí) string 對象。
  3. 執行 operator + 操作,返回新的臨時(shí)string 對象。
  4. 如果又發(fā)現"+"號,繼續第一步操作。
由于這個(gè)等式是由左到右開(kāi)始檢測執行,如果開(kāi)始兩項都是const char* ,程序自己并沒(méi)有定義兩個(gè)const char* 的加法,編譯的時(shí)候肯定就有問(wèn)題了。

有了操作符以后,assign(), append(), compare(), at()等函數,除非有一些特殊的需求時(shí),一般是用不上。當然at()函數還有一個(gè)功能,那就是檢查下標是否合法,如果是使用:

string str="winter";//下面一行有可能會(huì )引起程序中斷錯誤str[100]='!';//下面會(huì )拋出異常:throws: out_of_rangecout<<str.at(100)<<endl;
了解了嗎?如果你希望效率高,還是使用[]來(lái)訪(fǎng)問(wèn),如果你希望穩定性好,最好使用at()來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。

1.2 眼花繚亂的string find 函數

由于查找是使用最為頻繁的功能之一,string 提供了非常豐富的查找函數。其列表如下:
函數名 描述
find 查找
rfind 反向查找
find_first_of 查找包含子串中的任何字符,返回第一個(gè)位置
find_first_not_of 查找不包含子串中的任何字符,返回第一個(gè)位置
find_last_of 查找包含子串中的任何字符,返回最后一個(gè)位置
find_last_not_of 查找不包含子串中的任何字符,返回最后一個(gè)位置
以上函數都是被重載了4次,以下是以find_first_of 函數為例說(shuō)明他們的參數,其他函數和其參數一樣,也就是說(shuō)總共有24個(gè)函數
size_type find_first_of(const basic_string& s, size_type pos = 0)size_type find_first_of(const charT* s, size_type pos, size_type n)size_type find_first_of(const charT* s, size_type pos = 0)size_type find_first_of(charT c, size_type pos = 0)
所有的查找函數都返回一個(gè)size_type類(lèi)型,這個(gè)返回值一般都是所找到字符串的位置,如果沒(méi)有找到,則返回string::npos。有一點(diǎn)需要特別注意,所有和string::npos的比較一定要用string::size_type來(lái)使用,不要直接使用int 或者unsigned int等類(lèi)型。其實(shí)string::npos表示的是-1, 看看頭文件:
template <class _CharT, class _Traits, class _Alloc>const basic_string<_CharT,_Traits,_Alloc>::size_typebasic_string<_CharT,_Traits,_Alloc>::npos= basic_string<_CharT,_Traits,_Alloc>::size_type) -1;

find 和 rfind 都還比較容易理解,一個(gè)是正向匹配,一個(gè)是逆向匹配,后面的參數pos都是用來(lái)指定起始查找位置。對于find_first_of 和find_last_of 就不是那么好理解。

find_first_of 是給定一個(gè)要查找的字符集,找到這個(gè)字符集中任何一個(gè)字符所在字符串中第一個(gè)位置?;蛟S看一個(gè)例子更容易明白。

有這樣一個(gè)需求:過(guò)濾一行開(kāi)頭和結尾的所有非英文字符??纯从胹tring 如何實(shí)現:

#include <string>#include <iostream>using namespace std;int main(){string strinfo="   //*---Hello Word!......------";string strset="ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZabcdefghijklmnopqrstuvwxyz";int first = strinfo.find_first_of(strset);if(first == string::npos) {cout<<"not find any characters"<<endl;return -1;}int last = strinfo.find_last_of(strset);if(last == string::npos) {cout<<"not find any characters"<<endl;return -1;}cout << strinfo.substr(first, last - first + 1)<<endl;return 0;}
這里把所有的英文字母大小寫(xiě)作為了需要查找的字符集,先查找第一個(gè)英文字母的位置,然后查找最后一個(gè)英文字母的位置,然后用substr 來(lái)的到中間的一部分,用于輸出結果。下面就是其結果:
Hello Word
前面的符號和后面的符號都沒(méi)有了。像這種用法可以用來(lái)查找分隔符,從而把一個(gè)連續的字符串分割成為幾部分,達到 shell 命令中的 awk 的用法。特別是當分隔符有多個(gè)的時(shí)候,可以一次指定。例如有這樣的需求:
張三|3456123, 湖南李四,4564234| 湖北王小二, 4433253|北京...
我們需要以 "|" ","為分隔符,同時(shí)又要過(guò)濾空格,把每行分成相應的字段??梢宰鳛槟愕囊粋€(gè)家庭作業(yè)來(lái)試試,要求代碼簡(jiǎn)潔。

1.3 string insert, replace, erase

了解了string 的操作符,查找函數和substr,其實(shí)就已經(jīng)了解了string的80%的操作了。insert函數, replace函數和erase函數在使用起來(lái)相對簡(jiǎn)單。下面以一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明其應用。

string只是提供了按照位置和區間的replace函數,而不能用一個(gè)string字串來(lái)替換指定string中的另一個(gè)字串。這里寫(xiě)一個(gè)函數來(lái)實(shí)現這個(gè)功能:

void string_replace(string & strBig, const string & strsrc, const string &strdst) {string::size_type pos=0;string::size_type srclen=strsrc.size();string::size_type dstlen=strdst.size();while( (pos=strBig.find(strsrc, pos)) != string::npos){strBig.replace(pos, srclen, strdst);pos += dstlen;}}
看看如何調用:
#include <string>#include <iostream>using namespace std;int main() {string strinfo="This is Winter, Winter is a programmer. Do you know Winter?";cout<<"Orign string is :\n"<<strinfo<<endl;string_replace(strinfo, "Winter", "wende");cout<<"After replace Winter with wende, the string is :\n"<<strinfo<<endl;return 0;}
其輸出結果:
Orign string is :This is Winter, Winter is a programmer. Do you know Winter?After replace Winter with wende, the string is :This is wende, wende is a programmer. Do you know wende?
如果不用replace函數,則可以使用erase和insert來(lái)替換,也能實(shí)現string_replace函數的功能:
void string_replace(string & strBig, const string & strsrc, const string &strdst) {string::size_type pos=0;string::size_type srclen=strsrc.size();string::size_type dstlen=strdst.size();while( (pos=strBig.find(strsrc, pos)) != string::npos){strBig.erase(pos, srclen);strBig.insert(pos, strdst);pos += dstlen;}}
當然,這種方法沒(méi)有使用replace來(lái)得直接。

2 string 和 C風(fēng)格字符串

現在看了這么多例子,發(fā)現const char* 可以和string 直接轉換,例如我們在上面的例子中,使用
string_replace(strinfo, "Winter", "wende");
來(lái)代用
void string_replace(string & strBig, const string & strsrc, const string &strdst) 
在C語(yǔ)言中只有char* 和 const char*,為了使用起來(lái)方便,string提供了三個(gè)函數滿(mǎn)足其要求:
const charT* c_str() constconst charT* data() constsize_type copy(charT* buf, size_type n, size_type pos = 0) const 
其中:
  1. c_str 直接返回一個(gè)以\0結尾的字符串。
  2. data 直接以數組方式返回string的內容,其大小為size()的返回值,結尾并沒(méi)有\0字符。
  3. copy 把string的內容拷貝到buf空間中。
你或許會(huì )問(wèn),c_str()的功能包含data(),那還需要data()函數干什么?看看源碼:
const charT* c_str () const{ if (length () == 0) return ""; terminate (); return data (); }
原來(lái)c_str()的流程是:先調用terminate(),然后在返回data()。因此如果你對效率要求比較高,而且你的處理又不一定需要以\0的方式結束,你最好選擇data()。但是對于一般的C函數中,需要以const char*為輸入參數,你就要使用c_str()函數。

對于c_str() data()函數,返回的數組都是由string本身?yè)碛?,千萬(wàn)不可修改其內容。其原因是許多string實(shí)現的時(shí)候采用了引用機制,也就是說(shuō),有可能幾個(gè)string使用同一個(gè)字符存儲空間。而且你不能使用sizeof(string)來(lái)查看其大小。詳細的解釋和實(shí)現查看Effective STL的條款15:小心string實(shí)現的多樣性。

另外在你的程序中,只在需要時(shí)才使用c_str()或者data()得到字符串,每調用一次,下次再使用就會(huì )失效,如:

string strinfo("this is Winter");...//最好的方式是:foo(strinfo.c_str());//也可以這么用:const char* pstr=strinfo.c_str();foo(pstr);//不要再使用了pstr了, 下面的操作已經(jīng)使pstr無(wú)效了。strinfo += " Hello!";foo(pstr);//錯誤!
會(huì )遇到什么錯誤?當你幸運的時(shí)候pstr可能只是指向"this is Winter Hello!"的字符串,如果不幸運,就會(huì )導致程序出現其他問(wèn)題,總會(huì )有一些不可遇見(jiàn)的錯誤??傊粫?huì )是你預期的那個(gè)結果。

3 string 和 Charactor Traits

了解了string的用法,該詳細看看string的真相了。前面提到string 只是basic_string的一個(gè)typedef??纯碽asic_string 的參數:
template <class charT, class traits = char_traits<charT>,class Allocator = allocator<charT> >class basic_string{//...}
char_traits不僅是在basic_string 中有用,在basic_istream 和 basic_ostream中也需要用到。

就像Steve Donovan在過(guò)度使用C++模板中提到的,這些確實(shí)有些過(guò)頭了,要不是系統自己定義了相關(guān)的一些屬性,而且用了個(gè)typedef,否則還真不知道如何使用。

但復雜總有復雜道理。有了char_traits,你可以定義自己的字符串類(lèi)型。當然,有了char_traits < char > 和char_traits < wchar_t > 你的需求使用已經(jīng)足夠了,為了更好的理解string ,咱們來(lái)看看char_traits都有哪些要求。

如果你希望使用你自己定義的字符,你必須定義包含下列成員的結構:

表達式 描述
char_type 字符類(lèi)型
int_type int 類(lèi)型
pos_type 位置類(lèi)型
off_type 表示位置之間距離的類(lèi)型
state_type 表示狀態(tài)的類(lèi)型
assign(c1,c2) 把字符c2賦值給c1
eq(c1,c2) 判斷c1,c2 是否相等
lt(c1,c2) 判斷c1是否小于c2
length(str) 判斷str的長(cháng)度
compare(s1,s2,n) 比較s1和s2的前n個(gè)字符
copy(s1,s2, n) 把s2的前n個(gè)字符拷貝到s1中
move(s1,s2, n) 把s2中的前n個(gè)字符移動(dòng)到s1中
assign(s,n,c) 把s中的前n個(gè)字符賦值為c
find(s,n,c) 在s的前n個(gè)字符內查找c
eof() 返回end-of-file
to_int_type(c) 將c轉換成int_type
to_char_type(i) 將i轉換成char_type
not_eof(i) 判斷i是否為EOF
eq_int_type(i1,i2) 判斷i1和i2是否相等
想看看實(shí)際的例子,你可以看看sgi STL的char_traits結構源碼.

現在默認的string版本中,并不支持忽略大小寫(xiě)的比較函數和查找函數,如果你想練練手,你可以試試改寫(xiě)一個(gè)char_traits , 然后生成一個(gè)case_string類(lèi), 也可以在string 上做繼承,然后派生一個(gè)新的類(lèi),例如:ext_string,提供一些常用的功能,例如:

  1. 定義分隔符。給定分隔符,把string分為幾個(gè)字段。
  2. 提供替換功能。例如,用winter, 替換字符串中的wende
  3. 大小寫(xiě)處理。例如,忽略大小寫(xiě)比較,轉換等
  4. 整形轉換。例如把"123"字符串轉換為123數字。
這些都是常用的功能,如果你有興趣可以試試。其實(shí)有人已經(jīng)實(shí)現了,看看Extended STL string。如果你想偷懶,下載一個(gè)頭文件就可以用,有了它確實(shí)方便了很多。要是有人能提供一個(gè)支持正則表達式的string,我會(huì )非常樂(lè )意用。

4 string 建議

使用string 的方便性就不用再說(shuō)了,這里要重點(diǎn)強調的是string的安全性。
  1. string并不是萬(wàn)能的,如果你在一個(gè)大工程中需要頻繁處理字符串,而且有可能是多線(xiàn)程,那么你一定要慎重(當然,在多線(xiàn)程下你使用任何STL容器都要慎重)。
  2. string的實(shí)現和效率并不一定是你想象的那樣,如果你對大量的字符串操作,而且特別關(guān)心其效率,那么你有兩個(gè)選擇,首先,你可以看看你使用的STL版本中string實(shí)現的源碼;另一選擇是你自己寫(xiě)一個(gè)只提供你需要的功能的類(lèi)。
  3. string的c_str()函數是用來(lái)得到C語(yǔ)言風(fēng)格的字符串,其返回的指針不能修改其空間。而且在下一次使用時(shí)重新調用獲得新的指針。
  4. string的data()函數返回的字符串指針不會(huì )以'\0'結束,千萬(wàn)不可忽視。
  5. 盡量去使用操作符,這樣可以讓程序更加易懂(特別是那些腳本程序員也可以看懂)

5 小結

難怪有人說(shuō):
string 使用方便功能強,我們一直用它!

6 附錄

string 函數列表
函數名 描述
begin 得到指向字符串開(kāi)頭的Iterator
end 得到指向字符串結尾的Iterator
rbegin 得到指向反向字符串開(kāi)頭的Iterator
rend 得到指向反向字符串結尾的Iterator
size 得到字符串的大小
length 和size函數功能相同
max_size 字符串可能的最大大小
capacity 在不重新分配內存的情況下,字符串可能的大小
empty 判斷是否為空
operator[] 取第幾個(gè)元素,相當于數組
c_str 取得C風(fēng)格的const char* 字符串
data 取得字符串內容地址
operator= 賦值操作符
reserve 預留空間
swap 交換函數
insert 插入字符
append 追加字符
push_back 追加字符
operator+= += 操作符
erase 刪除字符串
clear 清空字符容器中所有內容
resize 重新分配空間
assign 和賦值操作符一樣
replace 替代
copy 字符串到空間
find 查找
rfind 反向查找
find_first_of 查找包含子串中的任何字符,返回第一個(gè)位置
find_first_not_of 查找不包含子串中的任何字符,返回第一個(gè)位置
find_last_of 查找包含子串中的任何字符,返回最后一個(gè)位置
find_last_not_of 查找不包含子串中的任何字符,返回最后一個(gè)位置
substr 得到字串
compare 比較字符串
operator+ 字符串鏈接
operator== 判斷是否相等
operator!= 判斷是否不等于
operator< 判斷是否小于
operator>> 從輸入流中讀入字符串
operator<< 字符串寫(xiě)入輸出流
getline 從輸入流中讀入一行

7 參考文章

  1. SGI STL: char_traits 源碼
  2. STL 編程手冊: basic_string
  3. 詳細解說(shuō) STL 排序(Sort)
  4. 詳細解說(shuō) STL hash_map系列
  5. Effective STL 中文版

論壇討論討論:詳細解說(shuō)STL string

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