为什么 data() 和 c_str() 返回 char const*，而 operator[] 返回 char&？

Question

为什么std::string::data和std::string::c_str()返回指向const字符的指针，而std::string::operator[]返回对可变字符的引用？

std::string string("eightfold is the greatest");

auto s = string.data();
*s = 'r'; // illegal

auto t = &string[0];
*t = 'r'; // totally fine

auto& c = string[0];
c = 'r'; // totally fine

为什么std::string::data()和std::string::c_str()返回char* ，或者为什么std::string::operator[]返回char const& ？

这背后的原理是什么？

Answer 1

operator []使您可以直接访问std::string对象的受控序列。 c_str()最初没有。

在std::string的原始规范中，不要求存储的序列是以零结尾的字符串。 这意味着在一般情况下c_str()无法返回指向存储序列的直接指针。 它必须返回一个指向完全独立的、单独分配的受控序列临时副本的指针（添加一个零终止符）。 因此，尝试修改c_str()返回的 C 字符串毫无意义。 应用于该单独 C 字符串的任何修改都不会传播到实际受控序列。 （事实上​​，规范明确禁止任何修改尝试。例如，对于一个空的std::string一个实现可以简单地返回一个指向字符串文字""的指针，这当然是不可修改的，并且可以很容易地在所有std::string对象。）因此，让c_str()返回const char *是非常有意义的。

C++11 更改了c_str()的内部规范，使其返回一个指向实际受控序列的直接指针。 但是c_str()的外部规范保持不变，以使其与旧规范保持一致。

Answer 2

由于历史原因，C++ 及其标准库支持 C 字符串（字符数组），并且很多 C++ 代码使用 C 字符串进行输入和输出。

您还可以想象将数据保存在字符数组中的 std::string 的可能实现。 这通常是一个完全私有的实现细节，不会通过类的公共接口公开。

编辑：明确地说，一个类通常不会公开其私有数据的非常量视图。 要了解为什么会出现此问题，请想象以下代码：

std::string s("abc");  
char* ps = s.c_str();  //  ps[0] == 'a' and ps[3] == '\0'
ps[3] = 'd';  // string is not null terminated
printf("%s", s.c_str());  // printing non-terminated string.

这种更改将允许类的用户以破坏不变量的方式更改其私有数据，即以下不变量：“用于存储的字符缓冲区将以空值结尾。”

operator[]部分约定是调用者不能提供大于或等于字符串长度的参数。 at(size_t pos)成员函数通过抛出异常来强制执行边界检查。 std::string::operator[]仍然可以不安全地使用，但至少可以记录一个 contract ，这与ps[3]的指针取消引用运算符不同。

编辑结束

但是为了支持与需要const char* C 字符串的函数的互操作性， std::string公开了这个字符缓冲区。

当然，就像std::vector ，用户可能想要修改字符串中的单个元素（字符），这就是字符串提供operator[] 。

（实际上， string实现通常有一个固定长度的字符缓冲区，它们在内部保留，然后如果字符串的内容超过该固定长度，则在堆上“重新分配”。这称为“小字符串优化”。）

为什么会有data()成员函数，你可能会问，什么时候有一个完美可用的c_str()成员函数？ 我认为这是为了简化泛型编程： std::array和std::vector也有data()成员函数，而std::string被设计成像容器一样。