C了个++：03 - C++的字符串与 string 类

简单梳理总结了C++中字符和字符串的知识

简单基础知识部分

• C++数据类型有3种级别：基本级类型（整型、浮点型）、复合级类型（数组、字符串、指针、地址）、抽象级类型（结构、类）。
• 这里跟字符和字符串相关的是：char ch（基本类型）、char ar[]或char* ar（复合类型）、string str（抽象类型），另外这里不讨论wchar_t类型，字符串提供了一种存储文本信息和输出文本信息的便捷方式，因为它是存储在内存的连续字节的一系列字符。

基本类型char ch

• char类型是一种特殊的整型，专为存储字符而设计的，它是8位二进制数（一个字节），存储的是128(2^7)个基本字符（包括字母和数字、标点符号等）编码值（以ASCII码为例），区别于其他整型或浮点型存储数字的方式（它们二进制的存储方式和数字的大小相关联，比如“1”对应二进制“0001”），char类型的二进制存储数字的编码值，并且和数字大小本身没有关系（比如“1”对应char类型的二进制数“0x31”）。
• 因为char是整型（比short类型更小的整型），所以char变量可以比较大小也可以进行加减操作。字符的字面值（字符常量）就是相应字符的编码值（该值是整数常量），单引号运算符（字符值符）加单个字符得到该字符的编码值（字符常量）。一个char类型变量的值也是一个相应字符的编码值。双引号运算符（字符串分割符）加字符串得到该字符串的编码值序列的首地址（并在该字符串-编码值序列的末尾自动添加NULL（空字符）的编码值，这个带地址和NULL字符的编码值序列也叫字符串常量或字符串字面值）。
• （例如在ASCII码中，字符A，该字符的  字面值==字符常量==编码值=='A'==65==0x41==0101==01000001；而对于字符变量char ch，如果ch==65/69，那么ch变量存储的是字符A/E的编码值）
• C++将字符进行编码并用整数表示，使得操作字符值更容易，至于实现使用哪种编码和编译器（C++编译器）没关系，和系统有关系，一般windows系统使用的是ASCII码。另外，国际Unicode字符集有更多的字符（多于128个）。
• 重要或特殊的字符的编码值及其转义序列：振铃\a\7、换行endl\n\10、回车\r\13、双引号\"\34、单引号\'\39、反斜杠\\\92、问号?\?\63、tab\t\9、退格\b\8、NULL（ctrl+@）\0、空格\32、0\48、@\64、A\65、a\97、del\127，转义序列与对应字符等价，对转义序列使用单引号运算符得到相应字符常量，应尽量使用符号转义序列不使用数字转义序列，因为数字转移序列依赖于系统的编码方式（如ASCII码）。
• 成员函数ostream & put(char);或<<运算符打印一个字符。成员函数istream & get(char);或int get(void);或>>运算符读取一个字符。
  

复合类型char ar[]

• C-风格字符串char ar[]，字符串是存储在内存的连续字节中的一系列字符，NULL对于C-字符串至关重要，因为它用来标记字符串的结尾，char数组是否是char字符串的唯一要求是末尾是否有NULL字符。字符串常量或字符串字面值（即双引号格式）可以自动在字符串结尾处隐式地添加NULL字符。注意，要求字符串数组的长度>=有效字符串长度+1。另外，通过键盘输入到char数组的字符串也会自动在末尾添加NULL字符。
• 单引号运算符（字符常量）和双引号运算符（字符串常量）的主要区别是，单引号只是对应一个字符的编码值并可以将其传递给char变量，而双引号对应末尾添加了一个NULL字符的一串字符的编码值序列，并且双引号传递给char*或char[]变量的是一个指向char类型字符串的首地址（注意，char[]地址的内存长度是确定的，就是数组占的字节长度，但char*的内存长度就4字节的地址长度不变，见sizeof()），并非传递字符串的编码值序列。双引号运算符（字符串常量）属于C-风格字符串。记住，数组名是数组的首地址，同样，字符串常量也是首地址。
• 概念区分：字符常量是属于char类型的常量，它可以赋值给char类型变量ch，ch存储的内容是其字符的编码值；字符串常量是属于char*或char[]类型的常量，它是将字符串的首地址赋值给char*或char[]类型变量ar，则ar存储的内容是字符串首地址，而此地址存储的内容是一串字符的编码值序列的第一个编码值。不过ar是数组名，变量名ar通过索引运算符[]可以访问字符串数组中的特定位置的字符，即ar[i]相当于是个char类型的变量，它对应字符串中第i+1个字符的字符常量，也就是说可以通过字符常量给ar[i]赋值来修改ar字符串中第i+1个的内容。另外，也可以用 *(ar++/ar+i) 的方法访问ar字符串中的内容。
• C-风格char字符串有三种常用操作，将char数组初始化为字符串常量、通过键盘或文件读入赋值到char数组中、通过索引运算符修改字符串中特定字符。注意，字符串常量或初始化列表（{ }）对char数组的赋值操作只限于初始化，因为每次双引号传递的是字符串首地址，数组名（数组首地址）在初始化过程完成赋值（或在数组变量声明时默认赋值），并在后期是不可修改的。再注意，有些实现对数组（包括char数组）的初始化操作（字符串常量或{ }）需要使用static关键字，static使该变量的内存只被分配一次，因此其值在下次调用时仍维持上次的值。char数组声明或初始化，地址是分配的（已赋值）长度是确定的，不存在char ar[];的声明（函数参数除外），但有char ar[]="...";的初始化。char数组在使用字符串常量初始化时，会自动用NULL字符将char数组中字符串常量的字符长度+1（strlen("...")+1）之外多余的空间填满，然而，未初始化的数组的内容是未定义的（即是以前的内容）。
• strlen(char*ar);（头文件cstring）会寻找NULL字符进行统计ar字符串的长度，只计算可见的字符而不把空字符计算在内，单位为个字符；sizeof(ar);指出整个数组ar（其实是指针）的内存空间的长度，单位为个字节。注意，sizeof();的使用针对char*指针变量和char[]数组变量是有区别的，指针的sizeof()始终是4个字节的长度（取决于系统），而数组名的sizeof()是整个数组的内存空间的长度，尽管数组变量名从功能上来讲就是一个指针，但严格来说并不是真正的指针类型。
• 创建一个字符串的副本可以使用ps=new char(strlen(ar)+1);strcpy(ps,ar);。char数组的内容是可以通过键盘或文件输入或strcpy()或strncpy()，重新写入或修改的。注意，char*指针引导的字符串不能重新写入。
  
• 字符串的输入，除了cin>>方法，常用的两个方法是getline和get（两个istream类的成员函数）。cin.getline(char*ar,int+1,char);只能在分隔符之前输入int个字符，多出的1是为了添加NULL字符来保证是char数组字符串，所以要求int+1<=siziof(ar)，这里的ar是数组名，前面getline参数中的ar是一个指针（地址），意思是说getline接收一个指向char类型的地址，只不过这里的地址是由数组名ar提供的。另外，getline读取并丢弃分隔符。cin.get(char*ar,int+1,char).get(ch);这个方法和getline的功能是一致的，不过相比于getline它的好处是，可以用get(ch)来查看是因为分隔符停止输入的还是因为数组已满停止输入的（因为get(char*ar,int+1,char)不读取分隔符），并且不会像getline因为数组已满设置failbit关闭输入。但对于空行，get会设置failbit，getline不会。清除failbit恢复输入使用cin.clear();。
• 字符串的输出，常用cout<<方法。只要给cout提供一个char的地址（不管它是字符串常量还是数组名还是指针），它就从该字符开始打印，直到遇到NULL字符为止。
  
• 其它，任何两个由空白（空格、制表符和换行符）分割的字符串常量（双引号）都将自动拼接成一个，并且会自动去掉拼接处的NULL字符。C-风格字符串的的复制和附加，char*strcpy(ar1,ar2);  char*strncpy(ar1,ar2,n);和char*strcat(ar1,ar2);  char*strncat(ar1,ar2,n);（头文件cstring），（=赋值运算符只用于初始化，不能用于后期的赋值）。调用拼接(cin>>int).get(); 要小心，输入一个int数据是后边还有个换行符的空白留在了输入队列里了。

抽象类型string str

• C++的string类库（头文件string，注意不是头文件cstring），位于名称空间std中，实现了将字符串作为一种数据类型（类，抽象数据类型），处理string对象（变量）使处理字符串像处理基本类型变量（如char ch）一样简单方便，例如不赋值或重新赋值，并且此时string对象内存储的字符串的长度可以自动调整（最大长度限制string::npos，通常是unsigned int的最大值）。未被初始化的string对象的字符串的长度自动设置为0。从理论上讲，可以将char数组视为一组用于存储一个字符串的char存储单元，而string类对象（变量）是一个表示字符串的实体。双引号运算符（字符串常量）属于C-风格字符串，但也可以看作一个字符串的实体（一个未命名的string对象）。
• 字符串常量（双引号形式）在char数组中仅限于初始化使用，而它对于string对象没有限制，所以可以利用字符串常量重新赋值=给已存在的string对象（类似给基本变量重新赋值=）；两个char数组不能相互赋值，而两个string对象可以（类似两个基本变量的赋值传递=），对应于C-风格字符串中的常规函数char*strcpy(ar1,ar2);  char*strncpy(ar1,ar2,n);；两个string对象可以通过加法运算符+/+=实现合并操作（类似基本变量的运算赋值）,对应于C-风格字符串中的常规函数char*strcat(ar1,ar2);  char*strncat(ar1,ar2,n);。还有，成员函数int size(); int length();对应于C-风格字符串中的常规函数int strlen(char*);。=/+/+=运算符也可以用于单个char值（ch变量或字符常量）赋值给string对象。另外，string对象也可以使用索引运算符[]访问特定位置的字符。
• string对象的输入，除了cin>>方法，常用的方法是getline(cin/fin/instr,str,ch);（不是成员函数，它是string类的一个友元函数），并且这里并没有限制长度的参数，因为string对象可以自动调整自己的长度，这与C-风格字符串char数组getline的用法不同。另外，getline读取并丢弃分隔符。string对象的输出，常用cout<<方法。
• string实际上是模板具体化basic_string<char>的一个typedef。size_type是一个依赖于实现的整型，在头文件string中定义的。string类7个构造函数：string(const char*);（字符串常量初始化或赋值时使用的方式）、string(size_type,char);、string(const string&);（赋值构造函数）、string();、string(const char*,size_type);、template<class Eter> string(Iter begin,Iter end);、string(const string&,string size_type =0,size_type =npos);。
• iostream类比string类出现早，在iostream类中没有处理string对象的类方法，但是方法cin>>和cout<<能用于string对象，并不是因为在iostream类中有函数定义，而是因为string类中的友元运算符重载函数（operator>>/<<(cin/cout,str);）。另外，string类还对全部6个关系运算符进行了重载，每个运算符都以三种方式被重载，以便能够将string对象与另一个string对象、C-风格字符串（数组名或字符串常量）进行比较，并能够将C-风格字符串（数组名或字符串常量）与string对象进行比较。通过运算符重载，有字符串常量参与时，可以将它视为未命名的string对象。
• 其它，在结构中使用string对象做数据成员是可以的，但只添加string头文件还不行，一定要让结构定义能够访问名称空间std，即需使用using声明或using编译指令，或使用作用域解析运算符形式std::string str。如果需要多个字符串，可以声明一个string对象数组（字符串数组string str[];，str是一个指向string对象类型地址的指针，str[i]代表第i+1个string对象），而不是使用二维char数组。在字符串中搜索给定的子字符串或字符，可使用一系列成员函数find()。

字符串与函数

• 字符串的比较：C-风格字符串比较int strcmp(char*,char*);（区分大小写），参数可以是char指针、字符串常量、数组名，因为这三个都是char地址类型（char指针，指向char类型地址的指针）。虽然不能用关系运算符比较字符串，但是可以让关系运算符比较字符，因为字符char是整型（可比较大小）。string类字符串比较可以使用!=等各种运算符，因为运算符重载，而且string对象和字符串常量（可视为未命名的string对象）作为一个表示字符串的实体。
• C-风格字符串作为字符串的参数(char*ar)(const char*ar)(const char const*ar)（或使用char ar[]替换char*ar），传递的都是地址（数组名、字符串常量、char指针），可以使用const来禁止对char地址内的内容（字符串）的修改，第一个const固定内容第二个const固定指针。因为字符串内有NULL字符的停止标志，所以不必将字符串的长度作为参数传递给函数。while(*ar){... ar++;}或while(ar[i]){... i++;} 是一种处理字符串中字符的标准方式。
• C-风格字符串做返回值char* function();，函数无法返回一个字符串数组，但可以返回一个字符串数组的首地址，这样比逐个返回字符会效率更高。函数使用new动态创建一个指向长度n的字符串的首地址的指针，然后返回该指针（首地址）。char*ar=new char[n+1];ar[n]='\0'; ... return ar; 是一种返回字符串首地址的标准方式。记得，new分配长度要为NULL字符多加一个长度（+1），并且在函数调用结束后使用delete[]释放new[]分配的内存（释放字符串使用的内存，并不释放当前的指针变量），而当函数调用结束，会释放指针变量ar的内存，不释放字符串使用的内存。
• string对象和函数，string function(string str)(const string str)(const string str[]); string对象做函数参数和返回值都是可以的，但只添加string头文件还不行，一定要让该函数声明和定义能访问名称空间std，即需使用using声明或using编译指令，或使用作用域解析运算符形式std::string str。

字符串与指针

• 指针名和数组名有点不同，指针在后期可以被修改、赋值、传递，不过字符串常量赋值仅限于初始化过程。尽管数组变量名从功能上来讲就是一个指针，但是数组名（数组首地址）在初始化过程完成赋值（或在数组变量声明时默认赋值），并在后期是不可修改的。字符串常量是个常量，所以它对char*的初始化会使用const关键字（const不是必须的，依赖编译器）。还有一点不同，就是使用sizeof()时，见上文。
• 地址是C++中一种独立的类型，是指向某个基本类型（抽象类型）的一种复合类型，（数组名、字符串常量、char指针 等等）都是地址。事实上，字符串常使用指针（而不是数组）来处理字符串。注意，未初始化的指针太随机有危险，尤其是输入操作，所以在建立指针时尽量尽快确定它指的地址。建议使用new动态分配内存的方法初始化指针，虽随机但没有危险。在讲字符串读入程序时，应使用已分配的内存地址，该地址可以是数组名，也可以是使用new初始化过的指针。
• 如果要求cout<<输出char*指针变量的地址的话，需要类型转换(int*)ar或(void*)ar，其它类型指针不需要类型转换。
  

示例1：指针和字符串

#include<iostream>#include<cstring>int main(){using namespace std;char animal[20] = "bear";// 字符串常量初始化，数组名（指针）声明后或初始化后不可以改const char * bird = "wren";// 字符串常量初始化，const不是必须的，另外，bird指针可以修改char * ps;// 指针未初始化，危险cout << animal << " and ";cout << bird << "\n";//cout << ps << "\n";// 错误cout << "Enter a kind of animal: ";cin >> animal;// char数组可以重新写入，char*指针引导的字符串不可以重新写入字符//cin >> ps;// 危险ps = animal;// 不能用字符串常量，字符串常量只限制于初始化操作。另外，这里只是复制地址，并没有复制字符串bird = animal;// 修改指针birdcout << ps << "!\n";cout << bird << "!\n";cout << "Before using strcpy():\n";cout << animal << " at " << (int *) animal << endl;// 其它指针不需要类型转换(int*)cout << ps << " at " << (int *) ps << endl;ps = new char[strlen(animal) + 1];// 动态分配新的内存，没有危险strcpy(ps, animal);// 结合strlen()和new的动态分配，创建一个字符串副本cout << "After using strcpy():\n";cout << animal << " at " << (int *) animal << endl;cout << ps << " at " << (int *) ps << endl;delete [] ps;return 0;}

示例2：字符串在函数中的输入与返回

#include<iostream>#include<string>char * buildstr(char ch, int n);std::string strback(const std::string str[], int n);// 一定要让该函数声明和定义能访问名称空间std，才能使用string对象int main(){using namespace std;int times;char ch;string str1[2];cout << "Enter a character: ";cin >> ch;cout << "Enter an integer: ";cin >> times;char * ps = buildstr(ch, times);cout << ps << endl;delete [] ps;ps = buildstr('+', 20);cout << ps << "-DONE-" << ps << endl;delete [] ps;// 释放字符串使用的内存，不释放变量使用的内存cout << "Enter a string1: ";cin >> str1[0];cout << "Enter a string2: ";cin >> str1[1];string str2 = strback(str1, 2);cout << str2 << endl;return 0;}char * buildstr(char ch, int n){char * p_ar = new char[n + 1];// +1是为了存储NULL字符p_ar[n] = '\0'; while (n-- > 0)// 从后向前填充字符是为了避免使用额外的变量p_ar[n] = ch;return p_ar;// 函数结束后，释放变量p_ar的内存，不释放字符串使用的内存}std::string strback(const std::string str[], int n){std::string strb;while (n--)strb += str[n];strb += "  back-OK !";return strb;}

示例3：非图形版本的Hangman拼字游戏

#include<iostream>#include<string>#include<cstdlib>// for exit();#include<ctime>// for time();#include<cctype>// for tolower();using std::string;const int NUM = 26;const string wordlist[NUM] = {"apiary", "beetle", "cereal", "danger", "ensign", "florid", "garage", "health", "insult", "jackal", "keeper", "loaner", "mamage", "nonce", "oneset", "plaid", "quilt", "remote", "stolid", "train", "useful", "valid", "whence", "xenon", "yearn", "zippy"};// string对象数组int main(){using std::cin;using std::cout;using std::endl;using std::tolower;// 转换为小写字母的函数的名std::srand(std::time(0));// ？？？？？？？？？？？？？？？char play;cout << "Will you play a word game? <y/n> ";cin >> play;play = tolower(play);// 转换成小写字母while (play == 'y'){string target = wordlist[std::rand() % NUM];// 随机产生，第3个构造函数int length = target.size();string attempt(length, '*');// 第2个构造函数string badchars;// 第4个构造函数int guesses = 6;cout << "Guess my secret word. Tt has " << length  << " letters, and you guess one letter at a time. You get " << guesses  << " wrong guesses." << endl;cout << "Your word: " << attempt << endl;while (guesses > 0 && attempt != target){char letter;cout << "Guess a letter: ";cin >> letter;if (badchars.find(letter) != string::npos || attempt.find(letter) != string::npos)// find()查询字符或子字符串{cout << "You already guessed that, Try again." << endl;continue;}int loc = target.find(letter);// 若返回npos，说明没找到if (loc == string::npos){cout << "Oh, bad guess!" << endl;--guesses;badchars += letter;// string对象与char字符}else{cout << "Good guess!" << endl;attempt[loc] = letter;// string对象与char字符// check if letter appears againloc = target.find(letter, loc + 1);while (loc != string::npos){attempt[loc] = letter;// string对象使用[]loc = target.find(letter, loc + 1);}}cout << "You word: " << attempt << endl;if (attempt != target)// 两个string对象的比较{if (badchars.length() > 0)// 与size()一样cout << "Bad choies: " << badchars << endl;cout << guesses << " bad choies left." << endl;}}if (guesses > 0)cout << "That's right!" << endl;elsecout << "Sorry, the word is " << target << "." << endl;cout << "Will you play again? <y/n> ";cin >> play;play = tolower(play);}cout << "BYE!" << endl;return 0;}

本文总结自《C++ primer plus》（第六版中文版）第三、四、五、七、十六章