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通过集成std::char_traits创建自定义字符串类

我们知道std::string非常好用。不过，对于一些朋友来说他们需要对自己定义的字符串类型进行处理。

使用它们自己的字符串类型显然不是一个好主意，因为对于字符串的安全处理是很困难的。幸运的是，std::string是std::basic_string类型的一个特化版本。这个类中包含了所有复杂的内存处理，不过其对字符串的拷贝和比较没有添加任何条件。所以我们可以基于basic_string，将其所需要包含的自定义类作为一个模板参数传入。

本节中，我们将来看下如何传入自定义类型。然后，在不实现任何东西的情况下，如何对自定义字符串进行创建。

How to do it...

我们将实现两个自定义字符串类：lc_string和ci_string。第一个类将通过输入创建一个全是小写字母的字符串。另一个字符串类型不会对输入进行任何变化，不过其会对字符串进行大小写不敏感的比较：

  1. 包含必要的头文件，并声明所使用的命名空间：

    #include <iostream>
#include <algorithm>
#include <string>

using namespace std;

  2. 然后要对std::tolower函数进行实现，其已经定义在头文件<cctype>中。其函数也是现成的，不过其不是constexpr类型。C++17中一些string函数可以声明成constexpr类型，但是还要使用自定义的类型。所以对于输入字符串，只将大写字母转换为小写，而其他字符则不进行修改：

    static constexpr char tolow(char c) {
    switch (c) {
    case 'A'...'Z': return c - 'A' + 'a'; // 读者自行将case展开
    default: 	    return c;
    }
}

  3. std::basic_string类可以接受三个模板参数：字符类型、字符特化类和分配器类型。本节中我们只会修改字符特化类，因为其定义了字符串的行为。为了重新实现与普通字符串不同的部分，我们会以public方式继承标准字符特化类：

class lc_traits : public char_traits<char> {
public:

  1. 我们类能接受输入字符串，并将其转化成小写字母。这里有一个函数，其是字符级别的，所以我们可以对其使用tolow函数。我们的这个函数为constexpr：

    	static constexpr
	void assign(char_type& r, const char_type& a ) {
		r = tolow(a);
	}

  2. 另一个函数将整个字符串拷贝到我们的缓冲区内。使用std::transform将所有字符从源字符串中拷贝到内部的目标字符串中，同时将每个字符与其小写版本进行映射：

        static char_type* copy(char_type* dest,
   						 const char_type* src,
    					 size_t count) {
    	transform(src, src + count, dest, tolow);
    	return dest;
    }
};

  3. 上面的特化类可以帮助我们创建一个字符串类，其能有效的将字符串转换成小写。接下来我们在实现一个类，其不会对原始字符串进行修改，但是其能对字符串做大小写敏感的比较。其继承于标准字符串特征类，这次将对一些函数进行重新实现：

    class ci_traits : public char_traits<char> {
public:

  4. eq函数会告诉我们两个字符是否相等。我们也会实现一个这样的函数，但是我们只实现小写字母的版本。这样'A'与'a'就是相等的：

        static constexpr bool eq(char_type a, char_type b) {
    	return tolow(a) == tolow(b);
    }

  5. lt函数会告诉我们两个字符在字母表中的大小情况。这里使用了逻辑操作符，并继续对两个字符使用转换成小写的函数：

        static constexpr bool lt(char_type a, char_type b) {
    	return tolow(a) < tolow(b);
    }

  6. 最后两个函数都是字符级别的函数，接下来两个函数都为字符串级别的函数。compare函数与strncmp函数差不多。当两个字符串的长度count相等，那么就返回0。如果不相等，会返回一个负数或一个正数，返回值就代表了其中哪一个在字母表中更小。并计算两个字符串中所有字符之间的距离，当然这些都是在小写情况下进行的操作。C++14后，这个函数可以声明成constexpr类型：

     	static constexpr int compare(const char_type* s1,
    						   const char_type* s2,
    						   size_t count) {
        for (; count; ++s1, ++s2, --count) {
            const char_type diff (tolow(*s1) - tolow(*s2));
            if (diff < 0) { return -1; }
            else if (diff > 0) { return +1; }
        }
    	return 0;
    }

  7. 我们所需要实现的最后一个函数就是大小写不敏感的find函数。对于给定输入字符串p，其长度为count，我们会对某个字符ch的位置进行查找。然后，其会返回一个指向第一个匹配字符位置的指针，如果没有找到则返回nullptr。这个函数比较过程中我们需要使用tolow函数将字符串转换成小写，以匹配大小写不敏感的查找。不幸的是，我们不能使用std::find_if来做这件事，因为其是非constexpr函数，所以我们需要自己去写一个循环：

        static constexpr
    const char_type* find(const char_type* p,
                          size_t count,
                          const char_type& ch) {
    const char_type find_c {tolow(ch)};
    
    for (; count != 0; --count, ++p) {
    	if (find_c == tolow(*p)) { return p; }
    }
    	return nullptr;
    }
};

  8. OK，所有自定义类都完成了。这里我们可以定义两种新字符串类的类型。lc_string代表小写字符串，ci_string代表大小写不敏感字符串。这两种类型与std::string都有所不同：

    using lc_string = basic_string<char, lc_traits>;
using ci_string = basic_string<char, ci_traits>;

  9. 为了能让输出流接受新类，我们需要对输出流操作符进行重载：

    ostream& operator<<(ostream& os, const lc_string& str) {
	return os.write(str.data(), str.size());
}

ostream& operator<<(ostream& os, const ci_string& str) {
	return os.write(str.data(), str.size());
}

  10. 现在我们来对主函数进行编写。先让我们创建一个普通字符串、小写字符串和大小写不敏感字符串的实例，然后直接将其进行打印。其在终端上看起来都很正常，不过小写字符串将所有字符转换成了小写：

    int main()
{
    cout << " string: "
        << string{"Foo Bar Baz"} << '\n'
        << "lc_string: "
        << lc_string{"Foo Bar Baz"} << '\n'
        << "ci_string: "
        << ci_string{"Foo Bar Baz"} << '\n';

  11. 为了测试大小写不敏感字符串，可以实例化两个字符串，这两个字符串只有在大小写方面有所不同。当我们将这两个字符串进行比较时，其应该是相等的：

    	ci_string user_input {"MaGiC PaSsWoRd!"};
	ci_string password {"magic password!"};

  12. 之后，对其进行比较，然后将匹配的结果进行打印：

        if (user_input == password) {
        cout << "Passwords match: \"" << user_input
        	 << "\" == \"" << password << "\"\n";
    }
}

  13. 编译并运行程序，其输出和我们期望的相符。开始的三行并未对输入进行修改，除了lc_string将所有字符转换成了小写。最后的比较，在大小写不敏感的前提下，也是相等的：

    $ ./custom_string
string: Foo Bar Baz
lc_string: foo bar baz
ci_string: Foo Bar Baz
Passwords match: "MaGiC PaSsWoRd!" == "magic password!"

How it works...

我们完成的所有子类和函数实现，在新手看来十分的不可思议。这些函数签名都来自于哪里？为什么我们为了函数签名，就要对相关功能性的函数进行重新实现呢？

首先，来看一下std::string的类声明：

template <
    class CharT,
    class Traits = std::char_traits<CharT>,
    class Allocator = std::allocator<CharT>
    >
class basic_string;

可以看出std::string其实就是一个std::basic_string<char> 类，并且其可以扩展为std::basic_string<char, std::char_traits<char>, std::allocator<char>> 。OK，这是一个非常长的类型描述，不过其意义何在呢？这就表示字符串可以不限于有符号类型char，也可以是其他类型。其对于字符串类型都是有效的，这样就不限于处理ASCII字符集。当然，这不是我们的关注点。

char_traits<char>类包含basic_string所需要的算法。 char_traits<char>可以进行字符串间的比较、查找和拷贝。

allocator<char>类也是一个特化类，不过其运行时给字符串进行空间的分配和回收。这对于现在的我们来说并不重要，我们只使用其默认的方式就好。

当我们想要一个不同的字符串类型是，可以尝试对basic_string和char_traits类中提供的方法进行复用。我们实现了两个char_traits子类：case_insentitive和lower_caser类。我们可以将这两个字符串类替换标准char_traits类型。

Note：

为了探寻basic_string适配的可能性，我们需要查询C++ STL文档中关于std::char_traits的章节，然后去了解还有那些函数需要重新实现。