C++ 中的 string

目录

• 核心概念
• 初始化与构造
• 容量与属性
• 元素访问与遍历
  • 访问单个字符
  • C 风格字符串
  • 遍历
• 修改与操作
• 查找与子串
• 类型转换
  • 数值转字符串 std::to_string(value)
  • 字符串转数值
• 现代化特性
  • C++17：std::string_view
  • C++20
• 底层原理
  • SSO（Small String Optimization）
  • COW（Copy-On-Write）
• 最佳实践
  • 参数传递
  • 性能优化
  • 安全性

本文首发于我的个人博客：Better Mistakes

版权声明：本文为原创文章，转载请附上原文出处链接及本声明。
由于技术迭代较快，文章内容可能随时更新（含勘误及补充）。为了确保您看到的是最新版本，并获得更好的代码阅读体验，请访问：

🍭 原文链接：https://bfmhno3.github.io/note/string-in-cpp/

---

std::string 是 C++ Standard Library 提供的标准类之一，这也是 C++ 开发中最常用的类之一，它本质上是对 C 风格字符串（char*）的封装，提供了自动内存管理和丰富的操作接口。

核心概念

std::string 位于 <string> 头文件中，本质上是对 std::basic_string<char> 的特化版本。

• 头文件：#include <string>
• 命名空间：std
• 特点：动态管理内存，自动处理扩容，兼容 C 风格字符串。

初始化与构造

#include <string>
#include <vector>std::string s1;                     // 默认构造，空字符串 ""
std::string s2 = "Hello, World";    // 拷贝初始化
std::string s3("Hello, World");     // 直接初始化
std::string s4(5, 'A');             // 生成 "AAAAA"
std::string s5(s2);                 // 拷贝构造
std::string s6(s2, 1, 3);           // 子串构造：从索引 1 开始取 3 个字符 -> "ell"// C++11 及以后
std::string s7 = {'H', 'i'};        // 列表初始化

容量与属性

了解容量对于优化性能至关重要，特别是避免不必要的内存重分配。

|函数|说明|备注|
|size() / length()|返回字符数量|两者完全等价，一般用 size()|
|empty()|判断是否为空|推荐使用，比 size() == 0 语义更清晰|
|capacity()|当前分配的内存容量|通常 >=size()|
|reserve(n)|预分配 n 字节内存|避免 append 时的多次内存重分配|
|shrink_to_fit()|释放多余内存（C++11）|让 capacity 接近 size|

元素访问与遍历

访问单个字符

• operator[]：s[i]。不检查越界，效率高，但越界为导致未定义行为。
• at()：s.at[i]。检查越界，越界会抛出 std::out_of_range 异常。
• front() / back()：访问首尾字符。

C 风格字符串

• c_str()：返回 const char*，以 NULL 结尾。主要用于兼容旧式 C 接口（如 printf）。
• data()：C++11 前不保证 NULL 结尾，C++11 后与 c_str() 基本一致。

遍历

std::string s = "Hello, World";// 1. 基于下标
for (size_t i = 0; i < s.size(); ++i) { /* ... */ }// 2. 基于迭代器
for (auto it = s.begin(); it != s.end(); ++i) { /* ... */}// 3. 基于范围 for 循环（C++11，推荐）
for (char c: s) { /* ... */ }       // 值拷贝
for (char& c: s) { c = toupper(c) } // 引用修改

修改与操作

|操作|函数|示例|
|追加|+=、append()、push_back()|s += " World"|
|插入|insert(pos, str)|s.insert(0, "Hi ")|
|删除|erase(pos, len), pop_back()|s.erase(0, 3)|
|替换|replace(pos, len, str)|s.replace(6, 5, "C++")|
|清空|clear()|把 size 设置为 0，capacity 通常不变|
|截断/扩充|resize(n)|改变 size，多出的补默认值|

查找与子串

所有查找函数如果未找到，都会返回常量 std::string::npos（通常是 -1 的无符号形式，即最大的 size_t()）。

std::string = "filename.txt";// 1. 查找 find
size_t pos = s.find(".");
if (pos != std::string::npos) {// 找到了
}// 2. 反向查找 rfind（找最后一个出现的位置）
size_t last_dot = s.rfind(".");// 3. 查找集合 find_first_of / find_first_not_of
// 查找第一个出现的元音字母
size_t v_pos = s.find_first_of("aeiou");// 4. 获取子串 substr
// 参数：substr(开始位置, 长度)
std::string name = s.substr(0, pos); // "filename"
std::string ext = s.substr(pos + 1); // "txt"（省略长度则取到末尾）

类型转换

需要包含头文件 <string>。

数值转字符串 std::to_string(value)

std::string s = std::to_string(3.14); // "3.140000"

字符串转数值

• std::stoi(s)：int
• std::stol(s)：long
• std::stod(s)：double
• 注意：这些函数会处理前导空格，但遇到非法字符会抛异常

现代化特性

C++17：std::string_view

std::string 是 “拥有者”，其拷贝开销大。std::string_view 只是一个 “观察者”（包含指针和长度），零拷贝。

函数参数尽量使用 std::string_view 代替 const std::string&，特别是当你只需要读取字符串内容时。

// 避免了临时 std::string 对象的构造和内存分配
void print_prefix(std::string_view sv) {i f(sv.substr(0, 3) == "Pre") { // substr 也是 O(1) 操作// ...}
}

C++20

填补了长期以来 C++ std::string 缺少高频接口的遗憾：

• s.starts_with("prefix")：判断前缀
• s.ends_with("suffix")：判断后缀
• s.contains("sub")：判断包含

底层原理

SSO（Small String Optimization）

原理：为了避免短字符串频繁的堆内存分配（Heap Allocation），std::string 内部通常有一个小的栈缓冲区（通常 15 或 22 字节，取决于编译器实现）。

效果：

• 如果字符串很短（例如："Hello"），直接存放在栈上对象内部，无 malloc，速度极快。
• 如果字符串变长，才会在堆上分配内存，指针指向堆。

COW（Copy-On-Write）

在 C++11 之后已被废弃。现在的标准规定 std::string 不允许使用 COW。这意味着 std::string a = b; 一定会发生深拷贝（除非使用 std::move）。

最佳实践

参数传递

• 只读不拥有：C++17 前用 const std::string&，C++17 后优先用 std::string_view。
• 需要修改：用 std::string&。
• 需要拥有权（Sink）：可以直接传值 std::string 并配合 std::move。

性能优化

• 在循环中追加字符串前，先用 reserve() 预留空间（写在循环之前）。
• 尽量避免在循环内部频繁构造 std::string。
• 换行符优先用 \n 而不是 std::endl（除非你需要立即刷新缓冲区）。

安全性

• 永远不要对 c_str() 返回的指针进行 delete 操作。
• 当 string 对象被修改或销毁后，之前获取的 iterators、references 和 pointers（如 c_str() 的结果）可能会失效。

---

📢 写在最后

如果你觉得这篇文章对你有帮助，欢迎到我的个人博客 Better Mistakes 逛逛。

在那里我归档了更多高质量的技术文章，也欢迎通过 RSS 订阅我的最新动态！