C++ Your Own String Class

C++ Your own string class.

1.Introduction.

문자열 클래스를 만들어보자. 

문자열 클래스는 아패와 같은 내용들을 지원해야 한다.

문자(char) 로 부터의 생성, C 문자열 (char *) 로 부터의 생성.
문자열 길이를 구하는 함수.
문자열 뒤에 다른 문자열 붙이기.
문자열 내에 포함되어 있는 문자열 구하기.
문자열이 같은지 비교.
문자열 크기 비교 (사전 순).

기존 C에서는 문자열을 나타내기 위해 널 종료 문자열(Null-terminating string)이라는 개념을 도입해서 문자열 끝에 NULL 문자를 붙여 문자열을

나타내는 방식을 사용하였다. 

C++에서는 표준 라이브러리로 string 킇해스를 지원하고 있다. 일단 간단히 생각해서 우리가 만들 MyString 클래스에 멤버 변수로 뭘 필요할지 

고민해본다.  대표적으로 아래 두 개의 데이터들이 필요하다고 볼 수 있다.

문자열 데이터가 저장된 공간을 가리키는 포인터.
문자열 데이터의 길이.

객체에 문자열 데이터를 직접 보관하는 것이 아니라, 그 저장된 공간을 가리키는 포인터를 보관하냐고 의문점을 가질 수 있다. 이렇게 하는 이유는 나중에 문자열 데이터의 크기가 바뀔 때, 저장된 공간을 가리키는 방식으로 하면, 그 메모리를 해제한 뒤에, 다시 할당할 수 있지만, 직접 보관하면 그럴 수 없기 때문이다. 또한 문자열 데이터의 길이를 보관하는 이유는 문자열 길이를 사용할 일이 많은데, 그 때마다 계속 길이를 구하는 것은 불필요한 일이기 때문이다. 따라서 길이를 한 번 구해놓고 길이가 바뀔 때까지 변경하지 않는 방법이 나을 것 같다.

class MyString
{
           char *string_content; //문자열 데이터를 가리키는 포인터.
           int string_length;// 문자열 길이.
}

일단 정보는 private로 설정하였다. 왜냐하면 원하는 모든 작업들을 수행할 수 있도록 충분한 함수들을 제공해야 할 것이다 생성자들은 어떻냐면, 아래와 같은 생성자들을 만들어야 한다.

// 문자 하나로 생성
	MyString(char c);
// 문자열로 부터 생성
	MyString(const char* str);
// 복사 생성자
	MyString(const MyString &str);

위처럼 코드 생성자들을 만들기 전에, 어떠한 방식으로 문자열을 저장할 것인지에 대해 생각해봐야 된다. string_content에 C형식 문자열(Null 종료 문자열)을 보관하는 것이 좋은지, 필요없는 정보들을 빼고(맨 마지막의 Null 문자) 실제 문자만 해당하는 부분만을 넣을까, C형식의 문자열을 그대로 보관한다면, 문자열의 끝 부분을 쉽게 체크할 수 있다는 장점이 있지만이 문제는 우리가 string_length라는 변수를 같이 도입함으로써 해결할 수 있게 된다. 즉 MyString 클래스에서는 실제 문자에만 해당하는 내용만을 string_content에 보관하도록 하겠다.

위의 소스코드같이 3개의 생성자들을 정의하였고, string_content를 동적 할당으로 처리하였기 떄문에 반드시 소멸자에서 동작해제하는 것을 

처리해줘야 한다.사실 이 점이 클래스의 큰 장점이다. C에서 구조체같은 것으로 문자열을 구현하였다면 이를 동작해제하는 것도

처리해줘야 했었기 때문이다. 즉 클래스를 사용하는 사람은 안에서 어떻게 돌아가는지 신경쓰지 않아도 된다.

이제 우리는 쉽게 문자열의 길이를 구하는 함수를 만들 수 있게 되었다. string_length를 리턴해주면 된다. 참고로 내부 변수의 내용을 바꾸지 

않거나, 상수 함수들로만 호출하는 함수들은 length 함수처럼 const 함수로 정의해주면 된다.

int MyString::length() const
{
	return string_length;
}

다만 이러한 방식으로 문자열의 길이를 구한다면, 문자열 조작시에 string_length 의 값을 올바른 값으로 설정해야만 한다. 예를 들어서, 두 문자열을 서로 더해서 새로운 문자열을 만들 때 새로운 문자열의 string_length 는 두 문자열의 string_length 의 합이 된다. 또한 부분 문자열을 추출하거나, 문자 하나를 지우는 등 모든 작업을할 때 string_length 값을 정확하게 조정해야만 한다.

void MyString::print()
{
	for(int i = 0; i != string_length; i ++)
		cout << string_content[i];
}

그리고 MyString 클래스의 내용을 보기 위해서, 문자열을 출력하는 함수 print 와 println 을 만든다.마지막에 개행을 하느냐 안하느냐의 차이).

2.C++Assign function.

assign 함수는 '지정하다' 라는 뜻을 가진 함수로, 흔히 생각하는 '=' 과 동일한 역할을 하게 된다. 예를 들어서 MyString 변수 str 에서 

str.assign("abc");를 하게 된다면 str 에는 원래 있었던 문자열이 지워지고 abc 가 들어가게 된다. 두 개의 assign 함수를 준비할 수 있다.

MyString& assign(MyString& str); MyString& assign(const char *str);

string 의 크기가 작으면 동적 할당을 수행하는데 큰 시간이 필요하지 않겠지만, MyString 클래스는 어떤 크기의 문자열에 대해서도 좋은 성능을 보여주어야만 하기 때문에 위 처럼 인자로 입력받는 문자열의 크기가, 원래 문자열의 크기 보다 작다면 굳이 동적 할당을 할 필요가 없게 된다. 그 경우에는 그냥 그대로 복사하게 된다. 하지만, 인자로 입력받는 문자열의 크기가 더 크다면, 현재까지는 이전에 동적으로 할당된 메모리 바로 뒤에 메모리를 추가하는 방법은 없으므로, 새로 동적할당을 해줘야만 한다.

그런데 이 방식으로 구현하는데에는 문제가 있다. 예를 들어 아래와 같은 상황을 보자.

MyString str1("very very very long string");
str1.assign("short string");
str1.assign("very long string");

처음에 str1 에 아주 긴 문자열을 할당한다. 예를 들어서 그 문자열의 길이가 1000 바이트 라고 생각해본다. 그리고 str1에 다시 짧은 문자열을 assign 하였다고 하자. assign 함수에 따르면 맨 처음에 '아주 긴 문자열' 의 길이가 '짧은 문자열' 보다 훨씬 작을 것이므로 assign 시에 특별히 동적 할당을 할 필요 없이 string_length 만을 줄인채 짧은 문자열로 덮어 씌우게 된다. 

문제는 다시 str1 에 긴 문자열을 assign 시에 발생하게 된다. (이번의 긴 문자열은 이전의 '아주 긴 문자열' 보다는 약간 짧다고 생각해보자). str1 에 이미 1000 바이트에 달하는 공간이 할당되어 있는데도 불구하고, 현재 짧은 문자열이 있기 때문에 새롭게 긴 문자열을 assign 시에 이미 1000 바이트가 할당되어 있다는 사실을 알 수 없게 된다. 따라서, assign 함수는 문자열에 짧은 문자열을 위한 작은 크기에 공간만이 할당되어 있다고 생각하여 메모리를 해제하고 다시 많은 양의 메모리를 할당하는 매우 비효율적인 작업을 하게 된다. 

따라서 이러한 비효율 적인 막기 위해서는 얼마나 많은 공간이 할당되어 있는지 알 수 있는 정보를 따로 보관하는 것이 좋을 것이라 생각된다. =memory_capacity 라는, 현재 할당된 메모리 공간의 크기를 나타내는 새로운 변수를 사용할 수 있다. 

capacity 를 도입함으로써 여러가지 새로운 함수들을 추가할 수 있게 된다. 예를 들어서, 할당할 문자열의 크기를 미리 예약해 놓는 reserve 함수와 현재 문자열의 할당된 메모리 크기를 나타내는 capacity 함수를 만들 수 있다. 

참고로 reserve 함수의 경우, 만일 할당하려는 크기가 현재의 할당된 크기보다 작다면 굳이 할당할 필요가 없게 된다. 따라서 size가 memory_capacity보다 클 경우에만 할당하도록 처리한다.

하나만 더 알아보자면, 임의의 위치의 문자를 리턴하는 함수로, 이전 C언어에서 [] 로 구현되었던 것이다. C문자열의 경우 구조상 배열의 범위를 벗어나는 위치에 대한 문자를 요구하여도 처리할 수 밖에 없었는데, C++의 경우 특정 위치의 문자를 얻는 것을 함수로 만들어서 올바르지 않는 위치에 대한 문제를 처리할 수 있다.

char MyString::at(int i)
{
	if(i >= string_length || i < 0) return NULL;
	else return string_content[i];
}

i가 허용되는 범위를 초과한다면 NULL을 리턴하도록 한다.

3.C++Insert string

문자열 처리에서 가장 사용되는 작업으로, 문자열 중간에 다른 문자열을 삽입하는 작업이다. 여태까지 만들언 놓은 함수들만을 가지고도 insert 작업을 쉽게 구현할 수 있지만, 자주 사용되는 작업이다 보니까 미리 만들어 놓아서 인터페이스로 제공하는 것도 좋다.

MyString& MyString::insert(int loc, MyString& str);
MyString& MyString::insert(int loc, const char* str);
MyString& MyString::insert(int loc, char c);

일단 insert 작업이 많은 용도로 사용되기 때문에 3 개의 insert 함수를 준비한다. loc을 어떻게 생각할 지 기준을 정해야 하는데, insert 함수에서 입력 위치를 받는 경우, 그 입력 위치 '앞' 에 문자를 insert 하는 경우가 많다. 예를 들어서 abc라는 문자열에 insert(1, "d") 를 하게 된다면,1의 위치에 있는 b 앞에 (참고로 모든 위치는 배열의 인덱스로 생각한다. 즉 a 는 0 의 위치) d 가 삽입된다. insert 함수는, 이전의 assign 함수 처럼 새로 메모리를 할당해야 할 경우와, 할당할 필요가 없는 경우를 나누어서 처리한다. 만일 원 문자열의 길이 + 새로 삽입되는문자열의 길이가, 현재의 할당된 메모리의 크기 보다 크다면 메모리를 새로 할당해야 하지만, 작은 경우에는, 메모리를 해제하고 재할당하는데 시간을 낭비할 필요가 없다. 메모리를 다시 할당해야 하는 경우, 일단 string_content 에 새로운 할당된 메모리 주소가 들어가므로, 이전의 메모리 주소를 보관하기 위해 prev_string_content 함수를 이용한다.즉 string_content 에 삽입된 문자열을 손쉽게 집어 넣을 수 있다. 반면에, 메모리를 다시 할당할 필요가 없는 경우 원래의 문자열 내용을 이용하며 삽입된 문자열을 string_content 에 넣어야 하므로 약간의 트릭을 이용한다.자리가 바뀌는 문자열들을 먼저 뒤로 밀어버리는 것이다. 이미 메모리의 할당된 공간은 충분하기 때문에 뒤로 미는 것을 쉽게 수행할 수 있다. 

4.C++Erase function

erase 함수는 insert 함수보다 만들기 훨씬 쉬운데, 기본적으로 데이터의 양이 줄어 드는 것이기 때문에 복잡하게 capacity 이런 것들을 생각할 필요가 없다. 

MyString& erase(int loc, int num);

erase 함수는 위와 같이 생겼고, loc은 insert 와 동일하게 loc 의 해당하는 문자 '앞' 을 의미한다. num은 지우는 문자의 수를 의미한다. 예를 들어서 abcd 라는 문자열에서 erase(1, 2); 를 하게 된다면, 1 에 해당하는 문자 'b' 의 앞에서 부터 2 문자를 지우게 되어, bc 가 지워져서 ad 가 리턴된다. 

5.C++ Find function

insert 와 erase 이외에 사용되는 또 다른 작업으로 find 함수가 있다. 사실 insert, erase, find 는 문자열 연산의 필수적인 함수다. 그렇기 때문에 find 함수 자체를 어떻게 구현하느냐에 따라 문자열 클래스의 전반적인 성능이 좌지우지 되는 경우도 있다. 왜냐하면 insert 와 erase 는 연산 시간이 크게 오래 걸리지는 않지만, 문자열의 크기가 매우 크다면 find 연산은 오래 걸릴 수 있게 될 수 있다. 

문자열을 검색하는 알고리즘은 많지만, 어떤 상황에 대해서도 좋은 성능을 발휘하는 알고리즘은 없다. (예를 들어 짧은 문자열 검색에 최적화 된 알고리즘과 긴 문자열 검색에 최적화 된 알고리즘들.) 그렇기에 특별한 알고리즘을 사용하는 경우에는 그 클래스의 사용 목적이 명확해서 그 알고리즘이 좋은 성능을 발휘할 수 있는 경우에만 사용하는 것이 보통이다.

int find(int find_from, MyString& str);
int find(int find_from, const char* str);
int find(int find_from, char c);

일단 insert 함수를 구현한 방법처럼, 맨 위의 MyString 을 인자로 받는 find 만 제대로 구현한 후에, 아래 두 개의 find 는 맨 위의 함수를 이용해서 구현하는 방식으로처리한다. find 함수는 find_from 에서 부터 시작해서 가장 첫 번째 str 의 위치를 리턴하게 된다. 그리고 str 이 문자열에 포함되어 있지 않다면, -1 을 리턴하게 된다.이러한 방법으로, 어떤 문자열 내에 있는 모든 str 들을 찾을 수 있는 for 문을 생각할 수 있다.

6.C++Size comparison function

문자열 간의 크기를 비교하는 compare 함수다. 여기서 '크기' 를 비교한다는 의미는 사전식으로 배열해서 어떤 문자열이 더 뒤에 오는지 판단한다는 의미가 됩니다. 이 함수를 이용해서 문자열 전체를 정렬하는 함수라던지, 기존의 C 언어에서 strcmp 함수 등으로 지원하였던 것들을 그대로 사용할 수 있다.

int compare(MyString& str);