C++ 标准库：string 类、vector/List 容器与文件操作深度剖析

引言

C++ 标准库犹如一座编程的宝库，其中的 string 类、vector 和 List 容器以及文件操作（fstream）为开发者提供了强大而便捷的工具，能极大地提升编程效率。接下来，我们将全方位深入探索这些重要组件。

一、string 类

1. 概述

string 类位于 <string> 头文件中，它是 C++ 为处理字符串量身打造的利器。相较于传统的 C 风格字符串（以 '\0' 结尾的字符数组），string 类拥有自动内存管理功能，提供了丰富的成员函数，使用起来更加方便、安全。

2. 详细使用方法

2.1 定义与初始化

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    // 默认构造函数，创建一个空字符串
    std::string str1;

    // 使用 C 风格字符串初始化
    std::string str2("Hello, C++!");

    // 使用另一个 string 对象初始化
    std::string str3(str2);

    // 使用重复字符初始化
    std::string str4(5, 'X');

    // 从指定位置开始截取初始化
    std::string str5(str2, 7, 3); 

    std::cout << "str1: " << str1 << std::endl;
    std::cout << "str2: " << str2 << std::endl;
    std::cout << "str3: " << str3 << std::endl;
    std::cout << "str4: " << str4 << std::endl;
    std::cout << "str5: " << str5 << std::endl;

    return 0;
}

2.2 字符串拼接

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "Hello";
    std::string str2 = " World";
    std::string str3 = "!";

    // 使用 + 运算符拼接
    std::string result1 = str1 + str2 + str3;

    // 使用 append 方法拼接
    std::string result2 = str1;
    result2.append(str2);
    result2.append(str3);

    std::cout << "result1: " << result1 << std::endl;
    std::cout << "result2: " << result2 << std::endl;

    return 0;
}

2.3 字符串查找与替换

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str = "Hello, World! World is wonderful.";

    // 查找子字符串第一次出现的位置
    size_t pos1 = str.find("World");
    if (pos1 != std::string::npos) {
        std::cout << "第一次出现的位置: " << pos1 << std::endl;
    }

    // 从指定位置开始查找子字符串
    size_t pos2 = str.find("World", pos1 + 1);
    if (pos2 != std::string::npos) {
        std::cout << "第二次出现的位置: " << pos2 << std::endl;
    }

    // 替换子字符串
    str.replace(pos1, 5, "C++");
    std::cout << "替换后的字符串: " << str << std::endl;

    return 0;
}

2.4 字符串比较

#include <iostream>
#include <string>

int main() {
    std::string str1 = "apple";
    std::string str2 = "banana";
    std::string str3 = "apple";

    // 使用 compare 方法比较
    if (str1.compare(str2) < 0) {
        std::cout << "str1 在字典序上小于 str2" << std::endl;
    }

    if (str1.compare(str3) == 0) {
        std::cout << "str1 等于 str3" << std::endl;
    }

    return 0;
}

3. 高级特性

• 容量管理：string 类会自动管理内存，但也提供了一些方法来控制容量，如 reserve 可以预先分配一定的内存空间，减少内存重新分配的次数。
• 迭代器：支持使用迭代器遍历字符串，如 begin() 和 end() 分别返回指向字符串首字符和尾后字符的迭代器。

二、vector/List 容器

1. vector 容器

1.1 概述

vector 是一种动态数组，位于 <vector> 头文件中。它的元素在内存中连续存储，支持随机访问，并且能够自动调整大小。

1.2 详细使用方法

1.2.1 定义与初始化

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    // 默认构造函数，创建一个空的 vector
    std::vector<int> vec1;

    // 初始化指定大小的 vector
    std::vector<int> vec2(5);

    // 初始化指定大小并赋予初始值
    std::vector<int> vec3(5, 10);

    // 使用另一个 vector 初始化
    std::vector<int> vec4(vec3);

    std::cout << "vec1 大小: " << vec1.size() << std::endl;
    std::cout << "vec2 大小: " << vec2.size() << std::endl;
    std::cout << "vec3 大小: " << vec3.size() << std::endl;
    std::cout << "vec4 大小: " << vec4.size() << std::endl;

    return 0;
}

1.2.2 元素操作

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec;

    // 添加元素
    vec.push_back(1);
    vec.push_back(2);
    vec.push_back(3);

    // 访问元素
    std::cout << "第一个元素: " << vec[0] << std::endl;
    std::cout << "第二个元素: " << vec.at(1) << std::endl;

    // 修改元素
    vec[1] = 5;

    // 删除最后一个元素
    vec.pop_back();

    // 遍历元素
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

1.2.3 插入和删除元素

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 在指定位置插入元素
    auto it = vec.begin() + 2;
    vec.insert(it, 10);

    // 删除指定位置的元素
    vec.erase(vec.begin() + 3);

    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

1.3 优势与适用场景

• 随机访问：可以通过下标直接访问元素，时间复杂度为 O(1)，适合需要频繁随机访问元素的场景。
• 动态扩展：当元素数量超过容器容量时，会自动重新分配内存并扩展容量，使用方便。但在插入和删除元素时，尤其是在中间位置，效率较低。

2. List 容器

2.1 概述

list 是一种双向链表，位于 <list> 头文件中。它的元素在内存中不连续存储，每个元素包含指向前一个元素和后一个元素的指针，支持高效的插入和删除操作，但不支持随机访问。

2.2 详细使用方法

2.2.1 定义与初始化

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    // 默认构造函数，创建一个空的 list
    std::list<int> list1;

    // 初始化指定大小的 list
    std::list<int> list2(5);

    // 初始化指定大小并赋予初始值
    std::list<int> list3(5, 10);

    // 使用另一个 list 初始化
    std::list<int> list4(list3);

    std::cout << "list1 大小: " << list1.size() << std::endl;
    std::cout << "list2 大小: " << list2.size() << std::endl;
    std::cout << "list3 大小: " << list3.size() << std::endl;
    std::cout << "list4 大小: " << list4.size() << std::endl;

    return 0;
}

2.2.2 元素操作

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList;

    // 添加元素
    myList.push_back(1);
    myList.push_front(0);

    // 访问第一个和最后一个元素
    std::cout << "第一个元素: " << myList.front() << std::endl;
    std::cout << "最后一个元素: " << myList.back() << std::endl;

    // 删除第一个和最后一个元素
    myList.pop_front();
    myList.pop_back();

    return 0;
}

2.2.3 插入和删除元素

#include <iostream>
#include <list>

int main() {
    std::list<int> myList = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 在指定位置插入元素
    auto it = std::next(myList.begin(), 2);
    myList.insert(it, 10);

    // 删除指定位置的元素
    it = std::next(myList.begin(), 3);
    myList.erase(it);

    for (int num : myList) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

2.3 优势与适用场景

• 高效的插入和删除：在任意位置插入和删除元素的时间复杂度为 O(1)，适合需要频繁进行插入和删除操作的场景。
• 不支持随机访问：由于元素在内存中不连续存储，不能通过下标直接访问元素，需要通过迭代器遍历，访问效率较低。

3. 选择建议

• 如果需要随机访问元素，并且插入和删除操作主要在尾部进行，建议使用 vector。
• 如果需要频繁在任意位置进行插入和删除操作，建议使用 list。

三、文件操作（fstream）

1. 概述

C++ 标准库提供了 <fstream> 头文件，用于进行文件操作。主要有三个类：ifstream（用于读取文件）、ofstream（用于写入文件）和 fstream（用于读写文件）。

2. 详细使用方法

2.1 文件读取

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    std::ifstream inFile("example.txt");
    if (inFile.is_open()) {
        std::string line;
        // 逐行读取文件
        while (std::getline(inFile, line)) {
            std::cout << line << std::endl;
        }
        inFile.close();
    } else {
        std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;
    }

    return 0;
}

2.2 文件写入

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    // 以覆盖模式打开文件
    std::ofstream outFile("output.txt");
    if (outFile.is_open()) {
        outFile << "Hello, File!" << std::endl;
        outFile << "This is a test." << std::endl;
        outFile.close();
    } else {
        std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;
    }

    // 以追加模式打开文件
    std::ofstream appendFile("output.txt", std::ios::app);
    if (appendFile.is_open()) {
        appendFile << "Appended content." << std::endl;
        appendFile.close();
    } else {
        std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;
    }

    return 0;
}

2.3 文件读写

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>

int main() {
    std::fstream file("data.txt", std::ios::in | std::ios::out | std::ios::trunc);
    if (file.is_open()) {
        // 写入数据
        file << "10 20 30" << std::endl;

        // 将文件指针移动到文件开头
        file.seekg(0, std::ios::beg);

        int num1, num2, num3;
        // 读取数据
        file >> num1 >> num2 >> num3;

        std::cout << "读取的数据: " << num1 << " " << num2 << " " << num3 << std::endl;

        file.close();
    } else {
        std::cerr << "无法打开文件" << std::endl;
    }

    return 0;
}

3. 注意事项

• 在进行文件操作时，要确保文件能够正常打开，否则会导致程序出错。可以使用 is_open() 方法检查文件是否打开成功。
• 使用完文件后，要及时关闭文件，以释放系统资源。可以使用 close() 方法关闭文件。
• 在文件读写过程中，要注意文件指针的位置，可以使用 seekg() 和 seekp() 方法移动文件指针。

四、总结

C++ 标准库中的 string 类、vector 和 List 容器以及文件操作（fstream）为我们提供了强大而便捷的工具。string 类让字符串处理更加简单安全，vector 和 list 容器可以根据不同的需求选择使用，而文件操作则方便我们进行数据的持久化存储。熟练掌握这些标准库的使用，能够显著提高 C++ 编程的效率和质量。同时，我们还应该深入理解它们的底层原理和适用场景，以便在实际开发中做出更合适的选择。