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  • C++面试中string类的一种正确写法

    C++ 的一个常见面试题是让你实现一个 String 类,限于时间,不可能要求具备 std::string 的功能,但至少要求能正确管理资源。具体来说:

    1. 能像 int 类型那样定义变量,并且支持赋值、复制。
    2. 能用作函数的参数类型及返回类型。
    3. 能用作标准库容器的元素类型,即 vector/list/deque 的 value_type。(用作 std::map 的 key_type 是更进一步的要求,本文从略)。

    换言之,你的 String 能让以下代码编译运行通过,并且没有内存方面的错误。

    void foo(String x)
    {
    }
     
    void bar(const String& x)
    {
    }
     
    String baz()
    {
      String ret("world");
      return ret;
    }
     
    int main()
    {
      String s0;
      String s1("hello");
      String s2(s0);
      String s3 = s1;
      s2 = s1;
     
      foo(s1);
      bar(s1);
      foo("temporary");
      bar("temporary");
      String s4 = baz();
     
      std::vector<String> svec;
      svec.push_back(s0);
      svec.push_back(s1);
      svec.push_back(baz());
      svec.push_back("good job");
    }

    本文给出我认为适合面试的答案,强调正确性及易实现(白板上写也不会错),不强调效率。某种意义上可以说是以时间(运行快慢)换空间(代码简洁)。

    首先选择数据成员,最简单的 String 只有一个 char* 成员变量。好处是容易实现,坏处是某些操作的复杂度较高(例如 size() 会是线性时间)。为了面试时写代码不出错,本文设计的 String 只有一个 char* data_成员。而且规定 invariant 如下:一个 valid 的 string 对象的 data_ 保证不为 NULL,data_ 以 '' 结尾,以方便配合 C 语言的 str*() 系列函数。

    其次决定支持哪些操作,构造、析构、拷贝构造、赋值这几样是肯定要有的(以前合称 big three,现在叫 copy control)。如果钻得深一点,C++11的移动构造和移动赋值也可以有。为了突出重点,本文就不考虑 operator[] 之类的重载了。

    这样代码基本上就定型了:

    #include <utility>
    #include <string.h>
     
    class String
    {
     public:
      String()
        : data_(new char[1])
      {
        *data_ = '';
      }
     
      String(const char* str)
        : data_(new char[strlen(str) + 1])
      {
        strcpy(data_, str);
      }
     
      String(const String& rhs)
        : data_(new char[rhs.size() + 1])
      {
        strcpy(data_, rhs.c_str());
      }
      /* Delegate constructor in C++11
      String(const String& rhs)
        : String(rhs.data_)
      {
      }
      */
     
      ~String()
      {
        delete[] data_;
      }
     
      /* Traditional:
      String& operator=(const String& rhs)
      {
        String tmp(rhs);
        swap(tmp);
        return *this;
      }
      */
      String& operator=(String rhs) // yes, pass-by-value
      {
        swap(rhs);
        return *this;
      }
     
      // C++ 11
      String(String&& rhs)
        : data_(rhs.data_)
      {
        rhs.data_ = nullptr;
      }
     
      String& operator=(String&& rhs)
      {
        swap(rhs);
        return *this;
      }
     
      // Accessors
     
      size_t size() const
      {
        return strlen(data_);
      }
     
      const char* c_str() const
      {
        return data_;
      }
     
      void swap(String& rhs)
      {
        std::swap(data_, rhs.data_);
      }
     
     private:
      char* data_;
    };

    注意代码的几个要点:

    1. 只在构造函数里调用 new char[],只在析构函数里调用 delete[]。
    2. 赋值操作符采用了《C++编程规范》推荐的现代写法。
    3. 每个函数都只有一两行代码,没有条件判断。
    4. 析构函数不必检查 data_ 是否为 NULL。
    5. 构造函数 String(const char* str) 没有检查 str 的合法性,这是一个永无止境的争论话题。这里在初始化列表里就用到了 str,因此在函数体内用 assert() 是无意义的。

    这恐怕是最简洁的 String 实现了。

    练习1:增加 operator==、operator<、operator[] 等操作符重载。

    练习2:实现一个带 int size_; 成员的版本,以空间换时间。

    练习3:受益于右值引用及移动语意,在 C++11 中对 String 实施直接插入排序的性能比C++98/03要高,试编程验证之。(g++的标准库也用到了此技术。)


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