C++ String 類手寫實現：深拷貝、運算符重載、三大/五大法則完整演示

核心設計要點

1. 動態內存管理：char* data 指向堆內存，負責釋放
2. 深拷貝語義：拷貝構造、賦值運算符必須分配新內存並複製內容
3. 自賦值檢查：if (this == &other) return *this;
4. 異常安全：先分配新內存，再釋放舊內存，防止分配失敗導致對象損壞
5. 友元輸出運算符：ostream& operator<<(ostream&, const String&)

完整實現代碼

#include <cstring>
#include <iostream>

class String {
public:
    // 普通構造
    String(const char *str = nullptr) {
        if (str == nullptr) {
            data = new char[1];
            *data = '\0';
        } else {
            size_t len = std::strlen(str);
            data = new char[len + 1];
            std::strcpy(data, str);
        }
    }
    
    // 拷貝構造
    String(const String &other) {
        size_t len = std::strlen(other.data);
        data = new char[len + 1];
        std::strcpy(data, other.data);
    }
    
    // 移動構造 (C++11)
    String(String && other) noexcept : data(other.data) {
        other.data = nullptr;
    }
    
    // 析構
    ~String() {
        delete[] data;
    }
    
    // 拷貝賦值 (Copy-and-swap 惯用法)
    String& operator=(String other) {  // 參數按值傳遞，自動調用拷貝/移動構造
        std::swap(data, other.data);
        return *this;
    }
    
    // 移動賦值 (C++11)
    String& operator=(String && other) noexcept {
        if (this != &other) {
            delete[] data;
            data = other.data;
            other.data = nullptr;
        }
        return *this;
    }
    
    // 友元輸出
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const String& s) {
        return os << s.data;
    }
    
    // 訪問器
    const char* c_str() const { return data; }
    size_t length() const { return std::strlen(data); }
    
private:
    char *data;
};

int main() {
    String s1("hello");
    String s2 = s1;           // 拷貝構造
    String s3;
    s3 = s1;                  // 拷貝賦值
    String s4 = std::move(s1); // 移動構造
    s3 = std::move(s2);       // 移動賦值
    std::cout << s3 << std::endl;
    return 0;
}

關鍵技術點解析

1. Copy-and-swap 惯用法

String& operator=(String other) 參數按值傳遞，編譯器自動選擇拷貝或移動構造。函數體內 swap 交換資源，舊資源隨 other 析構釋放。優勢：

• 自動處理自賦值
• 強異常安全（構造失敗則原對象不變）
• 代碼復用拷貝/移動構造，無重複邏輯

2. 移動語義 (C++11)

轉移所有權而非複製，noexcept 保證不拋出異常，使 STL 容器重新分配時優先使用移動操作，大幅提升性能。

3. 規則三/五/零

• 規則三：析構、拷貝構造、拷貝賦值（C++98）
• 規則五：+ 移動構造、移動賦值（C++11）
• 規則零：優先用 std::string/std::vector/std::unique_ptr 等 RAII 類型，避免手寫資源管理

常見坑點

• 淺拷貝導致雙重釋放
• 賦值運算符忘記釋放舊內存（內存洩漏）
• 賦值運算符異常時對象處於無效狀態
• 忘記 const 正確性（如 c_str() 應為 const 方法）
• 輸出運算符非友元無法訪問私有成員

手寫 String 是理解 C++ 資源管理、拷貝控制、移動語義、異常安全的最佳練習。實際項目中請直接使用 std::string。