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[] 返回指向可变 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()不返回char*，或者std::string::operator[]为什么不返回char const&？

这背后的原理是什么？

Answer 1

operator [] 让您可以直接访问std::string 对象的受控序列。 c_str()原来没有。

在std::string 的原始规范中，存储的序列不需要是一个以零结尾的字符串。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。它必须返回一个指针，指向一个完全独立的、单独分配的受控序列的临时副本（添加一个零终止符）。因此，尝试修改 c_str() 返回的 C 字符串完全没有意义。应用于该单独 C 字符串的任何修改都不会传播到实际的受控序列。 （事实上​​，规范明确禁止任何修改尝试。例如，对于空的std::string，实现可以简单地返回指向字符串文字"" 的指针，这当然是不可修改的，并且可以很容易地在所有人之间共享std::string 对象。）所以，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-strings（字符数组），并且许多 C++ 代码使用 C-strings 进行输入和输出。

您还可以想象 std::string 的一种可能实现，它将其数据保存在字符数组中。这通常是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。要了解为什么这会成为问题，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.

此类更改将允许该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终止。”

operator[] 的部分约定是调用者不得提供大于或等于字符串长度的参数。 at(size_t pos) member function 通过抛出异常来强制进行边界检查。 std::string::operator[] 仍然可以不安全地使用，但是至少可以使用 document a contract，这与 ps[3] 中的指针取消引用运算符不同。

编辑结束

但为了支持与需要 const char* C 字符串的函数的互操作性，std::string 会公开此字符缓冲区。

当然，与std::vector 一样，用户可能希望修改字符串中的单个元素（字符），这就是字符串提供operator[] 的原因。

(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，当有一个完美可用的c_str() 成员函数时？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::strings 被设计为像容器一样工作。