5.7 — std::string 介绍

在课程 5.2 -- 字面量中，我们介绍了 C 风格字符串字面量

#include <iostream>
 
int main()
{
    std::cout << "Hello, world!"; // "Hello world!" is a C-style string literal.
    return 0;
}

虽然 C 风格字符串字面量可以正常使用，但 C 风格字符串变量行为异常，难以操作（例如，不能使用赋值为 C 风格字符串变量赋新值），并且危险（例如，如果将较长的 C 风格字符串复制到为较短的 C 风格字符串分配的空间中，将导致未定义行为）。在现代 C++ 中，最好避免使用 C 风格字符串变量。

幸运的是，C++ 在语言中引入了两种额外的字符串类型，它们更易于使用且更安全：std::string 和 std::string_view (C++17)。与我们之前介绍的类型不同，std::string 和 std::string_view 不是基本类型（它们是类类型，我们将在未来介绍）。然而，它们的基本用法都很直接且非常有用，因此我们在这里介绍它们。

std::string 介绍

在 C++ 中，处理字符串和字符串对象最简单的方法是通过 std::string 类型，它存在于 <string> 头文件中。

我们可以像其他对象一样创建 std::string 类型的对象

#include <string> // allows use of std::string

int main()
{
    std::string name {}; // empty string

    return 0;
}

就像普通变量一样，您可以按照预期初始化或赋值给 std::string 对象

#include <string>

int main()
{
    std::string name { "Alex" }; // initialize name with string literal "Alex"
    name = "John";               // change name to "John"

    return 0;
}

请注意，字符串也可以由数字字符组成

std::string myID{ "45" }; // "45" is not the same as integer 45!

以字符串形式表示的数字被视为文本，而不是数字，因此不能将其作为数字进行操作（例如，不能将它们相乘）。C++ 不会自动将字符串转换为整数或浮点值，反之亦然（尽管有方法可以做到这一点，我们将在未来的课程中介绍）。

使用 std::cout 进行字符串输出

std::string 对象可以使用 std::cout 按照预期输出

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string name { "Alex" };
    std::cout << "My name is: " << name << '\n';

    return 0;
}

这会打印

My name is: Alex

空字符串将不打印任何内容

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string empty{ };
    std::cout << '[' << empty << ']';

    return 0;
}

打印结果为

[]

std::string 可以处理不同长度的字符串

std::string 最棒的功能之一是它能够存储不同长度的字符串

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string name { "Alex" }; // initialize name with string literal "Alex"
    std::cout << name << '\n';

    name = "Jason";              // change name to a longer string
    std::cout << name << '\n';

    name = "Jay";                // change name to a shorter string
    std::cout << name << '\n';

    return 0;
}

这会打印

Alex
Jason
Jay

在上面的示例中，`name` 被初始化为字符串 `"Alex"`，它包含五个字符（四个显式字符和一个空终止符）。然后我们将 `name` 设置为一个更大的字符串，再设置一个更小的字符串。`std::string` 处理这些都没有问题！你甚至可以在 `std::string` 中存储非常长的字符串。

这是 std::string 如此强大的原因之一。

使用 std::cin 进行字符串输入

使用 std::string 和 std::cin 可能会带来一些惊喜！考虑以下示例

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::cout << "Enter your full name: ";
    std::string name{};
    std::cin >> name; // this won't work as expected since std::cin breaks on whitespace

    std::cout << "Enter your favorite color: ";
    std::string color{};
    std::cin >> color;

    std::cout << "Your name is " << name << " and your favorite color is " << color << '\n';

    return 0;
}

以下是此程序的示例运行结果

Enter your full name: John Doe
Enter your favorite color: Your name is John and your favorite color is Doe

嗯，这不对劲！发生什么了？原来，当使用 operator>> 从 std::cin 中提取字符串时，operator>> 只返回到它遇到的第一个空白字符为止的字符。任何其他字符都留在 std::cin 中，等待下一次提取。

因此，当我们使用 `operator>>` 将输入提取到变量 `name` 中时，只提取了 `"John"`，而 `" Doe"` 留在了 `std::cin` 中。当我们随后使用 `operator>>` 将输入提取到变量 `color` 中时，它提取了 `"Doe"`，而不是等待我们输入颜色。然后程序结束。

使用 std::getline() 输入文本

要将整行输入读取到字符串中，最好使用 std::getline() 函数。std::getline() 需要两个参数：第一个是 std::cin，第二个是您的字符串变量。

这是上面使用 std::getline() 的相同程序

#include <iostream>
#include <string> // For std::string and std::getline

int main()
{
    std::cout << "Enter your full name: ";
    std::string name{};
    std::getline(std::cin >> std::ws, name); // read a full line of text into name

    std::cout << "Enter your favorite color: ";
    std::string color{};
    std::getline(std::cin >> std::ws, color); // read a full line of text into color

    std::cout << "Your name is " << name << " and your favorite color is " << color << '\n';

    return 0;
}

现在我们的程序如期工作

Enter your full name: John Doe
Enter your favorite color: blue
Your name is John Doe and your favorite color is blue

std::ws 到底是什么？

在课程 4.8 -- 浮点数中，我们讨论了输出操纵符，它允许我们改变输出的显示方式。在该课程中，我们使用了输出操纵符函数 std::setprecision() 来改变 std::cout 显示的精度位数。

C++ 也支持**输入操纵符**，它改变输入被接受的方式。std::ws 输入操纵符告诉 std::cin 在提取之前忽略任何前导空白。前导空白是字符串开头出现的任何空白字符（空格、制表符、换行符）。

我们来探讨一下为什么这很有用。考虑以下程序

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::cout << "Pick 1 or 2: ";
    int choice{};
    std::cin >> choice;

    std::cout << "Now enter your name: ";
    std::string name{};
    std::getline(std::cin, name); // note: no std::ws here

    std::cout << "Hello, " << name << ", you picked " << choice << '\n';

    return 0;
}

这是此程序的一些输出

Pick 1 or 2: 2
Now enter your name: Hello, , you picked 2

此程序首先要求您输入 1 或 2，并等待您操作。到目前为止一切顺利。然后它会要求您输入您的姓名。然而，它并不会真正等待您输入姓名！相反，它会打印“Hello”字符串，然后退出。

当您使用 operator>> 输入值时，std::cin 不仅捕获值，还会捕获您按下回车键时产生的换行符 ('\n')。因此，当我们输入 2 并按下回车时，std::cin 将字符串 "2\n" 作为输入捕获。然后它将值 2 提取到变量 choice 中，将换行符留在后面以备后用。然后，当 std::getline() 提取文本到 name 时，它看到 "\n" 已经在 std::cin 中等待，并认为我们之前肯定输入了一个空字符串！这绝不是我们想要的。

我们可以修改上述程序，使用 std::ws 输入操纵符，告诉 std::getline() 忽略任何前导空白字符。

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::cout << "Pick 1 or 2: ";
    int choice{};
    std::cin >> choice;

    std::cout << "Now enter your name: ";
    std::string name{};
    std::getline(std::cin >> std::ws, name); // note: added std::ws here

    std::cout << "Hello, " << name << ", you picked " << choice << '\n';

    return 0;
}

现在这个程序将按预期运行。

Pick 1 or 2: 2
Now enter your name: Alex
Hello, Alex, you picked 2

std::string 的长度

如果我们想知道 std::string 中有多少个字符，我们可以向 std::string 对象询问它的长度。这样做的语法与您之前见过的不同，但相当直接

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string name{ "Alex" };
    std::cout << name << " has " << name.length() << " characters\n";

    return 0;
}

这会打印

Alex has 4 characters

尽管 std::string 必须以 null 终止（自 C++11 起），但 std::string 返回的长度不包括隐式 null 终止符。

请注意，我们不是通过 `length(name)` 来获取字符串长度，而是通过 `name.length()`。`length()` 函数不是一个普通的独立函数——它是 `std::string` 内部嵌套的一种特殊类型的函数，称为*成员函数*。因为 `length()` 成员函数在 `std::string` 内部声明，所以在文档中有时会写成 `std::string::length()`。

我们将在稍后更详细地介绍成员函数，包括如何编写自己的成员函数。

另请注意，`std::string::length()` 返回一个无符号整数值（最可能是 `size_t` 类型）。如果您想将长度赋给 `int` 变量，应该进行 `static_cast`，以避免编译器关于有符号/无符号转换的警告

int length { static_cast<int>(name.length()) };

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::string name{ "Alex" };
    std::cout << name << " has " << std::ssize(name) << " characters\n";

    return 0;
}

int len { static_cast<int>(std::ssize(name)) };

初始化 std::string 代价昂贵

每当初始化 `std::string` 时，都会创建用于初始化它的字符串的副本。复制字符串的开销很大，因此应注意最小化复制次数。

不要按值传递 std::string

当 std::string 按值传递给函数时，std::string 函数参数必须被实例化并用实参初始化。这会导致昂贵的复制。我们将在课程 5.8 -- std::string_view 介绍中讨论替代方法（使用 std::string_view）。

返回 std::string

当一个函数按值返回给调用者时，返回值通常从函数复制回调用者。所以你可能会认为你不应该按值返回 std::string，因为这样做会返回 std::string 的昂贵副本。

然而，根据经验法则，当返回语句的表达式解析为以下任何一种情况时，按值返回 std::string 是可以的

• 一个 std::string 类型的局部变量。
• 从另一个函数调用或操作符中按值返回的 std::string。
• 作为返回语句的一部分创建的 std::string 临时对象。

在大多数其他情况下，应避免按值返回 std::string，因为这会产生昂贵的复制。

std::string 的字面量

双引号字符串字面量（如“Hello, world!”）默认是 C 风格字符串（因此，类型很奇怪）。

我们可以通过在双引号字符串字面量后使用 s 后缀来创建 std::string 类型的字符串字面量。s 必须是小写。

#include <iostream>
#include <string> // for std::string

int main()
{
    using namespace std::string_literals; // easy access to the s suffix

    std::cout << "foo\n";   // no suffix is a C-style string literal
    std::cout << "goo\n"s;  // s suffix is a std::string literal

    return 0;
}

您可能不需要经常使用 std::string 字面量（因为用 C 风格字符串字面量初始化 std::string 对象是可以的），但我们将在未来的课程中看到一些情况（涉及类型推导），其中使用 std::string 字面量而不是 C 风格字符串字面量会使事情变得更容易（请参阅 10.8 -- 使用 auto 关键字进行对象类型推导 的示例）。

Constexpr 字符串

如果您尝试定义 `constexpr std::string`，您的编译器可能会报错

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    using namespace std::string_literals;

    constexpr std::string name{ "Alex"s }; // compile error

    std::cout << "My name is: " << name;

    return 0;
}

发生这种情况是因为 `constexpr std::string` 在 C++17 或更早版本中根本不受支持，并且仅在 C++20/23 的非常有限的情况下才有效。如果需要 constexpr 字符串，请改用 `std::string_view`（在课程 5.8 -- std::string_view 介绍中讨论）。

总结

std::string 很复杂，它利用了许多我们尚未介绍的语言特性。幸运的是，您不需要理解这些复杂性就可以使用 std::string 完成简单的任务，例如基本的字符串输入和输出。我们鼓励您现在就开始尝试字符串，我们稍后将介绍其他字符串功能。

小测验时间

问题 #1

编写一个程序，要求用户输入他们的全名和年龄。输出时，告诉用户他们的年龄和姓名中字符数的总和（使用 std::string::length() 成员函数获取字符串长度）。为简单起见，姓名中的任何空格都算作一个字符。

样本输出

Enter your full name: John Doe
Enter your age: 32
Your age + length of name is: 40

提醒：我们需要注意不要混合有符号和无符号值。std::string::length() 返回一个无符号值。如果您支持 C++20，请使用 std::ssize() 获取有符号长度。否则，将 std::string::length() 的返回值 static_cast 为 int。

显示答案

#include <iostream>
#include <string>

int main()
{
    std::cout << "Enter your full name: ";
    std::string name{};
    std::getline(std::cin >> std::ws, name); // read a full line of text into name

    std::cout << "Enter your age: ";
    int age{}; // age needs to be an integer, not a string, so we can do math with it
    std::cin >> age;

    // age is signed, and name.length() is unsigned -- we shouldn't mix these
    // We'll convert name.length() to a signed value
    int nameLen { static_cast<int>(name.length()) }; // get number of chars in name (including spaces)
    std::cout << "Your age + length of name is: " << age + nameLen << '\n';

    return 0;
}