C++深入学习string类成员函数（2）：容器管理

引言

C++ 标准库中的容器（如 std::string、std::vector、std::list 等）都提供了一系列容器管理成员函数，用于处理容器的大小、容量、清空等操作。容器管理成员函数可以分为几类，主要包括容量查询、修改容器大小、清空容器等操作。

以下是常见的容器管理成员函数（适用于大多数标准库容器，如 std::string, std::vector 等），我们在此只介绍这些成员函数在string类中的操作：

1.容量查询函数

这些函数用于查询容器的大小和容量信息。

1.1 size()与length()

size()和 length()作用相同，都用于返回字符串的长度，返回类型都是size_t。

（1）函数原型

size_t size() const noexcept;
size_t length() const noexcept;

- const：关键字const表示该函数是常量成员函数，即它不会修改当前对象的状态。

- noexcept：noexcept表示该函数在执行时不会抛出任何异常，即无论什么情况下，调用size()都不会引发异常。 

（2）示例代码

#include <iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
	string s = "Hello";
	cout << s.size() << endl;//5
	cout << s.length() << endl;//5
	return 0;
}

两者没有功能上的区别，提供两个概念主要是为了与开发者的习惯保持一致，size_t()更符合容器类的术语，length()更符合处理字符串的自然语言概念。

1.2 capacity()

    std::string 类中的 capacity() 函数用于返回当前字符串对象分配的内存容量大小（不包括末尾的空终止符 '\0'），这个容量表示在不重新分配内存的情况下，字符串最多可以容纳的字符数量。

- 与 size() 不同，size() 返回的是当前字符串中实际存储的字符数，而 capacity() 则表示分配的空间总量（不包括末尾的空终止符 `'\0'`），通常比 size() 大，特别是在进行字符串扩展时。

（1）函数原型

size_t capacity() const noexcept;

（2）示例代码 

#include <iostream>
using namespace std;


int main()
{
	string s1 = "Hello, Welcome";

	cout << s1.size() << endl;//7
	cout << s1.capacity() << endl;//15

	s1 += " to henu";

	cout << s1.size() << endl;//22
	cout << s1.capacity() << endl;//31

	return 0;
}

- 当字符串需要扩展并超出当前的容量时，系统会自动重新分配更多的内存空间，以容纳更多字符。  

（2）总结
- capacity() 返回当前字符串分配的总内存量，可以在不重新分配内存的情况下容纳的最大字符数。
- capacity() 通常大于 size()，以避免频繁的内存分配操作，提高性能。
- 通过 reserve() 预分配内存，或者通过 shrink_to_fit() 释放未使用的空间，可以调整字符串的容量管理行为。

1.3 其它成员函数

1.3.1 max_size()

max_size()：返回容器可以存储的最大元素数量，这并不是你实际分配到的内存容量，而是字符串理论上能达到的最大大小，由系统和标准库的实现决定。

size_t max_size() const noexcept;
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";
	cout << s1.max_size() << endl;//9223372036854775807
	return 0;
}

1.3.2 empty()

empty()：检查容器是否为空，返回布尔值 true 表示容器为空，false 表示不为空。

bool empty() const noexcept;
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";
	string s2;

	cout << s1.empty() << endl;// 输出 0（false），因为 str 是不是空的
	cout << s2.empty() << endl;// 输出 1（true），因为 str 是空的

	return 0;
}

 

2. 修改容器大小的函数

这些函数用于修改容器的大小或容量。

2.1 reverse()

    std::strin 类的 reserve() 函数用于预分配内存，调整字符串的 capacity，以避免在字符串扩展时频繁重新分配内存。这是一种优化技术，可以提高性能，尤其是在已知字符串将增长到较大大小的情况下

（1）函数原型

void reserve (size_t new_cap);

- new_cap：这是你希望字符串预分配的最小容量。如果 new_cap 小于当前 capacity()，调用 reserve() 不会减少现有的容量。如果 new_cap 大于当前 capacity()，则分配足够的内存以满足 new_cap 的要求。
  
- 默认行为：如果没有传递参数，默认行为是将字符串的容量保持为当前值，不会额外分配空间。 

（2）关键点

- reserve() 只调整 capacity()，不影响当前字符串的 size() 和内容。
- 如果你提前知道字符串可能会变得很大，使用 reserve() 可以避免在多次添加字符时频繁地重新分配内存。

（3）示例代码

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";

	cout << s1.size() << endl;//5
	cout << s1.capacity() << endl;//15

	s1.reserve(50);

	s1 += ", this is a long sentence that we are appending!";

	cout << s1.size() << endl;//53
	cout << s1.capacity() << endl;//63

	return 0;
}

调用 reserve(50) 后得到 63 个字符的容量是标准库的一种优化策略。C++ 标准库为了减少频繁的内存分配开销，通常会分配比你实际请求更多的内存，使用指数增长或倍数增长的方式来优化性能。因此，分配的容量可能大于你请求的大小，这是正常且预期的行为。

（4）总结
- reserve() 提前分配内存但不改变字符串的大小。
- 它优化了频繁增长的场景，减少了不必要的内存重新分配。
- 使用 reserve() 可以提高代码在处理大字符串时的性能。

2.2 其它成员函数

2.2.1 resize()

resize(size_type n)用来调整容器大小。若 n 大于当前大小，则增加新元素（对于 std::string，新增的字符是 \0 或指定的字符）；若 n 小于当前大小，则移除多余的元素。

void resize (size_t n);
void resize (size_t n, char c);

它有两个重载版本：

1. resize(size_t n)：将字符串的大小调整为 n，如果 n 小于当前大小，则截断字符串；如果 n 大于当前大小，则在字符串末尾添加空字符 `\0`。
   
2. resize(size_t n, char c)：将字符串的大小调整为 n，如果 n 小于当前大小，则截断字符串；如果 n 大于当前大小，则在字符串末尾添加字符 c 来填充。

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello, henu";
	
	s1.resize(5);//调整字符串大小为5，截断字符串
	cout << s1 << endl;

	s1.resize(20, 'x');//调整字符串大小为20，用'x'填充字符串
	cout << s1 << endl;

	return 0;
}

- resize() 可以用来增大或缩小字符串的大小。
- 增大时可以用指定字符填充，不指定时使用空字符 `\0`。
- 缩小时会截断字符串。

2.2.2 shrink_to_fit()

shrink_to_fit() 用来缩小字符串的容量，使其与当前字符串的大小一致，释放多余的内存。

- 不过shrink_to_fit() 是非强制性的，标准库实现可以选择是否实际执行这个操作。通常取决于库的具体实现。尽管你调用了它，容量不一定会完全匹配大小，但库会尽量缩小容量。

void shrink_to_fit();
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";

	cout << s1.size() << endl;//5
	cout << s1.capacity() << endl;//15

	s1.shrink_to_fit();

	cout << s1.size() << endl;//5
	cout << s1.capacity() << endl;//5

	return 0;
}

 

3. 清空和删除元素的函数

这些函数用于清空容器或删除元素。

3.1 clear()

clear()用来清空容器中的所有元素，使其 size 变为 0，它不会改变字符串的容量。

（1） 函数原型：

void clear() noexcept;

- 清空字符串内容，将字符串长度变为 0。
- 该函数是 noexcept 的，这意味着它保证不会抛出异常。

（2）示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello, henu";
    cout << s1 << endl;//Hello, henu
    cout << s1.size() << endl;//11
    cout << s1.capacity() << endl;//15

	s1.clear();//清空字符串
	cout << s1 << endl;//
	cout << s1.size() << endl;//0
	cout << s1.capacity() << endl;//15

	return 0;
}

（3） 总结：

- clear() 清空字符串的内容，长度变为 0。
- clear() 不会影响字符串的容量（即预分配的内存），如果你想释放多余的内存，可以结合使用 shrink_to_fit()。
- clear() 是一个非常高效的操作，适用于需要多次复用同一字符串的场景。

3.2 Erase

用于删除字符串中的一个或多个字符。它有几种不同的重载方式，允许根据不同的需求删除字符。 

（1）函数原型：

sequence (1)	string& erase (size_t pos = 0, size_t len = npos);
character (2)   iterator erase (const_iterator p);
range (3)       iterator erase (const_iterator first, const_iterator last);

1. erase(size_t pos = 0, size_t len = npos)
   - 从字符串中删除从位置 pos 开始的 len 个字符。
   - npos 是一个特殊值，表示“直到字符串的末尾”。
   - 返回值是 this，即调用此函数的字符串自身。
  
2. iterator erase(const_iterator position)
   - 删除迭代器 position 指向的字符。
   - 返回值是一个指向删除元素之后元素的迭代器。

3. iterator erase(const_iterator first, const_iterator last)
   - 删除从 first 到 last 范围内的字符（last 不包括在内）。
   - 返回值是一个指向删除范围之后第一个字符的迭代器。

（2）示例代码 

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello, henu";

	s1.erase(5, 2);//删除第五个字符后的两个字符
	cout << s1 << endl;//Hellohenu
	s1.erase(5, 4);
	cout << s1 << endl;//Hello

	s1.erase(s1.begin());//删除H
	cout << s1 << endl;//ello
	s1.erase(s1.begin() + 3);//删除o
	cout << s1 << endl;//ell

	string s2 = "Hello, henu";
	s2.erase(s2.begin() + 5, s2.begin() + 10);//删除[',','u')之间的字符
	cout << s2 << endl;//Hello

	s1.erase();//删除整个字符串
	s2.erase();
	cout << s1 << endl;
	cout << s2 << endl;

	return 0;
}

（3）总结：

- erase() 可以删除从指定位置开始的一个或多个字符。
- 可以通过迭代器删除指定的字符或字符范围。
- erase() 是一个高效的操作，适用于修改字符串内容。

4. 交换函数

     swap()能够交换两个容器的内容，它通过交换字符串的内部数据指针来实现，不涉及字符的逐一拷贝，因此操作非常高效，在效率上比逐个交换元素更好，时间复杂度为 O(1)。

（1）函数原型：

void swap (string& str);

- 交换当前字符串和参数 str 的内容。
- 由于是 noexcept 的函数，它保证不会抛出异常。

（2）示例代码：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";
	string s2 = "henu";

	s1.swap(s2);

	cout << s1 << endl;//henu
	cout << s2 << endl;//Hello

	return 0;
}

swap() 函数的效率很高，因为它只交换字符串对象的内部指针，而不涉及字符的复制操作。

（3）全局 swap() 函数：
除了 std::string 的成员函数 swap() 之外，C++ 还提供了一个全局的 std::swap() 函数，可以用来交换任意两个类型相同的对象，包括 std::string：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
	string s1 = "Hello";
	string s2 = "henu";

	//s1.swap(s2);
	swap(s1, s2);

	cout << s1 << endl;//henu
	cout << s2 << endl;//Hello

	return 0;
}

（4）std::swap 和 string::swap 的区别：
- std::swap 是一个全局函数，可以交换任意类型的两个对象，不局限于 std::string。
- string::swap 是 std::string 类的成员函数，专门用于交换两个字符串对象。

总结：

容器管理成员函数主要用于处理容器的大小和容量，以下是它们的分类：
1. 容量查询函数：size()、length()，max_size()，capacity()，empty()。
2. 修改容器大小的函数：resize()，reserve()，shrink_to_fit()。
3. 清空和删除元素的函数：clear()，erase()。
4. 交换函数：swap()。

这些函数在容器的动态管理中非常常用，能够有效地控制容器的内存和元素管理。

 更多string类的成员函数：string - C++ Reference (cplusplus.com) 

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