字符串

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简介 #

C 语言没有单独的字符串类型,字符串被当作字符数组,即char类型的数组。比如,字符串“Hello”是当作数组{'H', 'e', 'l', 'l', 'o'}处理的。

编译器会给数组分配一段连续内存,所有字符储存在相邻的内存单元之中。在字符串结尾,C 语言会自动添加一个全是二进制0的字节,写作\0字符,表示字符串结束。字符\0不同于字符0,前者的 ASCII 码是0(二进制形式00000000),后者的 ASCII 码是48(二进制形式00110000)。所以,字符串“Hello”实际储存的数组是{'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}

所有字符串的最后一个字符,都是\0。这样做的好处是,C 语言不需要知道字符串的长度,就可以读取内存里面的字符串,只要发现有一个字符是\0,那么就知道字符串结束了。

char localString[10];

上面示例声明了一个10个成员的字符数组,可以当作字符串。由于必须留一个位置给\0,所以最多只能容纳9个字符的字符串。

字符串写成数组的形式,是非常麻烦的。C 语言提供了一种简写法,双引号之中的字符,会被自动视为字符数组。

{'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}

// 等价于
"Hello"

上面两种字符串的写法是等价的,内部存储方式都是一样的。双引号里面的字符串,不用自己添加结尾字符\0,C 语言会自动添加。

注意,双引号里面是字符串,单引号里面是字符,两者不能互换。如果把Hello放在单引号里面,编译器会报错。

// 报错
'Hello'

另一方面,即使双引号里面只有一个字符(比如"a"),也依然被处理成字符串(存储为2个字节),而不是字符'a'(存储为1个字节)。

如果字符串内部包含双引号,则该双引号需要使用反斜杠转义。

"She replied, \"It does.\""

反斜杠还可以表示其他特殊字符,比如换行符(\n)、制表符(\t)等。

"Hello, world!\n"

如果字符串过长,可以在需要折行的地方,使用反斜杠(\)结尾,将一行拆成多行。

"hello \
world"

上面示例中,第一行尾部的反斜杠,将字符串拆成两行。

上面这种写法有一个缺点,就是第二行必须顶格书写,如果想包含缩进,那么缩进也会被计入字符串。为了解决这个问题,C 语言允许合并多个字符串字面量,只要这些字符串之间没有间隔,或者只有空格,C 语言会将它们自动合并。

char greeting[50] = "Hello, ""how are you ""today!";
// 等同于
char greeting[50] = "Hello, how are you today!";

这种新写法支持多行字符串的合并。

char greeting[50] = "Hello, "
  "how are you "
  "today!";

printf()使用占位符%s输出字符串。

printf("%s\n", "hello world")

字符串变量的声明 #

字符串变量可以声明成一个字符数组,也可以声明成一个指针,指向字符数组。

// 写法一
char s[14] = "Hello, world!";

// 写法二
char* s = "Hello, world!";

上面两种写法都声明了一个字符串变量s。如果采用第一种写法,由于字符数组的长度可以让编译器自动计算,所以声明时可以省略字符数组的长度。

char s[] = "Hello, world!";

上面示例中,编译器会将数组s指定为14,正好容纳后面的字符串。

字符数组的长度,可以大于字符串的实际长度。

char s[50] = "hello";

上面示例中,字符数组s的长度是50,但是字符串“hello”的实际长度只有6(包含结尾符号\0),所以后面空出来的44个位置,都会被初始化为\0

字符数组的长度,不能小于字符串的实际长度。

char s[5] = "hello";

上面示例中,字符串数组s的长度是5,小于字符串“hello”的实际长度6,这时编译器会报错。因为如果只将前5个字符写入,而省略最后的结尾符号\0,这很可能导致后面的字符串相关代码出错。

字符指针和字符数组,这两种声明字符串变量的写法基本是等价的,但是有两个差异。

第一个差异是,指针指向的字符串,在 C 语言内部被当作常量,不能修改字符串本身。

char* s = "Hello, world!";
s[0] = 'z'; // 错误

上面代码使用指针,声明了一个字符串变量,然后修改了字符串的第一个字符。这种写法是错的,会导致难以预测的后果,执行时很可能会报错。

如果使用数组声明字符串变量,就没有这个问题,可以修改数组的任意成员。

char s[] = "Hello, world!";
s[0] = 'z';

为什么字符串声明为指针时不能修改,声明为数组时就可以修改?原因是声明为指针时,字符串是一个保存在内存“栈区”(stack)的常量,“栈区”的值由系统管理,一般都不允许修改;声明为数组时,字符串的副本会被拷贝到内存“堆区”(heap),“堆区”的值由用户管理,是可以修改的。

为了提醒用户,字符串声明为指针后不得修改,可以在声明时使用const说明符,保证该字符串是只读的。

const char* s = "Hello, world!";

上面字符串声明为指针时,使用了const说明符,就保证了该字符串无法修改。一旦修改,编译器肯定会报错。

第二个差异是,指针变量可以指向其它字符串。

char* s = "hello";
s = "world";

上面示例中,字符指针可以指向另一个字符串。

但是,字符数组变量不能指向另一个字符串。

char s[] = "hello";
s = "world"; // 报错

上面示例中,字符数组的数组名,总是指向初始化时的字符串地址,不能修改。

同样的原因,声明字符数组后,不能直接用字符串赋值。

char s[10];
s = "abc"; // 错误

上面示例中,不能直接把字符串赋值给字符数组变量,会报错。原因是字符数组的变量名,跟所指向的数组是绑定的,不能指向另一个地址。

解决方法就是使用 C 语言原生提供的strcpy()函数,通过字符串拷贝完成赋值。

char s[10];
strcpy(s, "abc");

上面示例中,strcpy()函数把字符串abc拷贝给变量s,这个函数的详细用法会在后面介绍。

strlen() #

strlen()函数返回字符串的字节长度,不包括末尾的空字符\0。该函数的原型如下。

// string.h
size_t strlen(const char* s);

它的参数是字符串变量,返回的是size_t类型的无符号整数,除非是极长的字符串,一般情况下当作int类型处理即可。下面是一个用法实例。

char* str = "hello";
int len = strlen(str); // 5

strlen()的原型在标准库的string.h文件中定义,使用时需要加载头文件string.h

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void) {
  char* s = "Hello, world!";
  printf("The string is %zd characters long.\n", strlen(s));
}

注意,字符串长度(strlen())与字符串变量长度(sizeof()),是两个不同的概念。

char s[50] = "hello";
printf("%d\n", strlen(s));  // 5
printf("%d\n", sizeof(s));  // 50

上面示例中,字符串长度是5,字符串变量长度是50。

如果不使用这个函数,可以通过判断字符串末尾的\0,自己计算字符串长度。

int my_strlen(char *s) {
  int count = 0;
  while (s[count] != '\0')
    count++;
  return count;
}

strcpy() #

字符串的复制,不能使用赋值运算符,直接将一个字符串赋值给字符数组变量。

char str1[10];
char str2[10];

str1 = "abc"; // 报错
str2 = str1;  // 报错

上面两种字符串的复制写法,都是错的。因为数组的变量名是一个固定的地址,不能修改,使其指向另一个地址。

如果是字符指针,赋值运算符(=)只是将一个指针的地址复制给另一个指针,而不是复制字符串。

char* s1;
char* s2;

s1 = "abc";
s2 = s1;

上面代码可以运行,结果是两个指针变量s1s2指向同一字符串,而不是将字符串s2的内容复制给s1

C 语言提供了strcpy()函数,用于将一个字符串的内容复制到另一个字符串,相当于字符串赋值。该函数的原型定义在string.h头文件里面。

strcpy(char dest[], const char source[])

strcpy()接受两个参数,第一个参数是目的字符串数组,第二个参数是源字符串数组。复制字符串之前,必须要保证第一个参数的长度不小于第二个参数,否则虽然不会报错,但会溢出第一个字符串变量的边界,发生难以预料的结果。第二个参数的const说明符,表示这个函数不会修改第二个字符串。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void) {
  char s[] = "Hello, world!";
  char t[100];

  strcpy(t, s);

  t[0] = 'z';
  printf("%s\n", s);  // "Hello, world!"
  printf("%s\n", t);  // "zello, world!"
}

上面示例将变量s的值,拷贝一份放到变量t,变成两个不同的字符串,修改一个不会影响到另一个。另外,变量t的长度大于s,复制后多余的位置(结束标志\0后面的位置)都为随机值。

strcpy()也可以用于字符数组的赋值。

char str[10];
strcpy(str, "abcd");

上面示例将字符数组变量,赋值为字符串“abcd”。

strcpy()的返回值是一个字符串指针(即char*),指向第一个参数。

char* s1 = "beast";
char s2[40] = "Be the best that you can be.";
char* ps;

ps = strcpy(s2 + 7, s1);

puts(s2); // Be the beast
puts(ps); // beast

上面示例中,从s2的第7个位置开始拷贝字符串beast,前面的位置不变。这导致s2后面的内容都被截去了,因为会连beast结尾的空字符一起拷贝。strcpy()返回的是一个指针,指向拷贝开始的位置。

strcpy()返回值的另一个用途,是连续为多个字符数组赋值。

strcpy(str1, strcpy(str2, "abcd"));

上面示例调用两次strcpy(),完成两个字符串变量的赋值。

另外,strcpy()的第一个参数最好是一个已经声明的数组,而不是声明后没有进行初始化的字符指针。

char* str;
strcpy(str, "hello world"); // 错误

上面的代码是有问题的。strcpy()将字符串分配给指针变量str,但是str并没有进行初始化,指向的是一个随机的位置,因此字符串可能被复制到任意地方。

如果不用strcpy(),自己实现字符串的拷贝,可以用下面的代码。

char* strcpy(char* dest, const char* source) {
  char* ptr = dest;
  while (*dest++ = *source++);
  return ptr;
}

int main(void) {
  char str[25];
  strcpy(str, "hello world");
  printf("%s\n", str);
  return 0;
}

上面代码中,关键的一行是while (*dest++ = *source++),这是一个循环,依次将source的每个字符赋值给dest,然后移向下一个位置,直到遇到\0,循环判断条件不再为真,从而跳出循环。其中,*dest++这个表达式等同于*(dest++),即先返回dest这个地址,再进行自增运算移向下一个位置,而*dest可以对当前位置赋值。

strcpy()函数有安全风险,因为它并不检查目标字符串的长度,是否足够容纳源字符串的副本,可能导致写入溢出。如果不能保证不会发生溢出,建议使用strncpy()函数代替。

strncpy() #

strncpy()strcpy()的用法完全一样,只是多了第3个参数,用来指定复制的最大字符数,防止溢出目标字符串变量的边界。

char *strncpy(
  char *dest, 
  char *src, 
  size_t n
);

上面原型中,第三个参数n定义了复制的最大字符数。如果达到最大字符数以后,源字符串仍然没有复制完,就会停止复制,这时目的字符串结尾将没有终止符\0,这一点务必注意。如果源字符串的字符数小于n,则strncpy()的行为与strcpy()完全一致。

strncpy(str1, str2, sizeof(str1) - 1);
str1[sizeof(str1) - 1] = '\0';

上面示例中,字符串str2复制给str1,但是复制长度最多为str1的长度减去1,str1剩下的最后一位用于写入字符串的结尾标志\0。这是因为strncpy()不会自己添加\0,如果复制的字符串片段不包含结尾标志,就需要手动添加。

strncpy()也可以用来拷贝部分字符串。

char s1[40];
char s2[12] = "hello world";

strncpy(s1, s2, 5);
s1[5] = '\0';

printf("%s\n", s1); // hello

上面示例中,指定只拷贝前5个字符。

strcat() #

strcat()函数用于连接字符串。它接受两个字符串作为参数,把第二个字符串的副本添加到第一个字符串的末尾。这个函数会改变第一个字符串,但是第二个字符串不变。

该函数的原型定义在string.h头文件里面。

char* strcat(char* s1, const char* s2);

strcat()的返回值是一个字符串指针,指向第一个参数。

char s1[12] = "hello";
char s2[6] = "world";

strcat(s1, s2);
puts(s1); // "helloworld"

上面示例中,调用strcat()以后,可以看到字符串s1的值变了。

注意,strcat()的第一个参数的长度,必须足以容纳添加第二个参数字符串。否则,拼接后的字符串会溢出第一个字符串的边界,写入相邻的内存单元,这是很危险的,建议使用下面的strncat()代替。

strncat() #

strncat()用于连接两个字符串,用法与strncat()完全一致,只是增加了第三个参数,指定最大添加的字符数。在添加过程中,一旦达到指定的字符数,或者在源字符串中遇到空字符\0,就不再添加了。它的原型定义在string.h头文件里面。

int strncat(
  const char* dest,
  const char* src,
  size_t n
);

strncat()返回第一个参数,即目标字符串指针。

为了保证连接后的字符串,不超过目标字符串的长度,strncat()通常会写成下面这样。

strncat(
  str1, 
  str2, 
  sizeof(str1) - strlen(str1) - 1
);

strncat()总是会在拼接结果的结尾,自动添加空字符\0,所以第三个参数的最大值,应该是str1的变量长度减去str1的字符串长度,再减去1。下面是一个用法实例。

char s1[10] = "Monday";
char s2[8] = "Tuesday";

strncat(s1, s2, 3);
puts(s1); // "MondayTue"

上面示例中,s1的变量长度是10,字符长度是6,两者相减后再减去1,得到3,表明s1最多可以再添加三个字符,所以得到的结果是MondayTue

strcmp() #

如果要比较两个字符串,无法直接比较,只能一个个字符进行比较,C 语言提供了strcmp()函数。

strcmp()函数用于比较两个字符串的内容。该函数的原型如下,定义在string.h头文件里面。

int strcmp(const char* s1, const char* s2);

按照字典顺序,如果两个字符串相同,返回值为0;如果s1小于s2strcmp()返回值小于0;如果s1大于s2,返回值大于0。

下面是一个用法示例。

// s1 = Happy New Year
// s2 = Happy New Year
// s3 = Happy Holidays

strcmp(s1, s2) // 0
strcmp(s1, s3) // 大于 0
strcmp(s3, s1) // 小于 0

注意,strcmp()只用来比较字符串,不用来比较字符。因为字符就是小整数,直接用相等运算符(==)就能比较。所以,不要把字符类型(char)的值,放入strcmp()当作参数。

strncmp() #

由于strcmp()比较的是整个字符串,C 语言又提供了strncmp()函数,只比较到指定的位置。

该函数增加了第三个参数,指定了比较的字符数。它的原型定义在string.h头文件里面。

int strncmp(
  const char* s1,
  const char* s2, 
  size_t n
);

它的返回值与strcmp()一样。如果两个字符串相同,返回值为0;如果s1小于s2strcmp()返回值小于0;如果s1大于s2,返回值大于0。

下面是一个例子。

char s1[12] = "hello world";
char s2[12] = "hello C";

if (strncmp(s1, s2, 5) == 0) {
  printf("They all have hello.\n");
}

上面示例只比较两个字符串的前5个字符。

sprintf(),snprintf() #

sprintf()函数跟printf()类似,但是用于将数据写入字符串,而不是输出到显示器。该函数的原型定义在stdio.h头文件里面。

int sprintf(char* s, const char* format, ...);

sprintf()的第一个参数是字符串指针变量,其余参数和printf()相同,即第二个参数是格式字符串,后面的参数是待写入的变量列表。

char first[6] = "hello";
char last[6] = "world";
char s[40];

sprintf(s, "%s %s", first, last);

printf("%s\n", s); // hello world

上面示例中,sprintf()将输出内容组合成“hello world”,然后放入了变量s

sprintf()的返回值是写入变量的字符数量(不计入尾部的空字符\0)。如果遇到错误,返回负值。

sprintf()有严重的安全风险,如果写入的字符串过长,超过了目标字符串的长度,sprintf()依然会将其写入,导致发生溢出。为了控制写入的字符串的长度,C 语言又提供了另一个函数snprintf()

snprintf()只比sprintf()多了一个参数n,用来控制写入变量的字符串不超过n - 1个字符,剩下一个位置写入空字符\0。下面是它的原型。

int snprintf(char*s, size_t n, const char* format, ...);

snprintf()总是会自动写入字符串结尾的空字符。如果你尝试写入的字符数超过指定的最大字符数,snprintf()会写入 n - 1 个字符,留出最后一个位置写入空字符。

下面是一个例子。

snprintf(s, 12, "%s %s", "hello", "world");

上面的例子中,snprintf()的第二个参数是12,表示写入字符串的最大长度不超过12(包括尾部的空字符)。

snprintf()的返回值是写入变量的字符数量(不计入尾部的空字符\0),应该小于n。如果遇到错误,返回负值。

字符串数组 #

如果一个数组的每个成员都是一个字符串,需要通过二维的字符数组实现。每个字符串本身是一个字符数组,多个字符串再组成一个数组。

char weekdays[7][10] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面示例就是一个字符串数组,一共包含7个字符串,所以第一维的长度是7。其中,最长的字符串的长度是10(含结尾的终止符\0),所以第二维的长度统一设为10。

因为第一维的长度,编译器可以自动计算,所以可以省略。

char weekdays[][10] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面示例中,二维数组第一维的长度,可以由编译器根据后面的赋值,自动计算,所以可以不写。

数组的第二维,长度统一定为10,有点浪费空间,因为大多数成员的长度都小于10。解决方法就是把数组的第二维,从字符数组改成字符指针。

char* weekdays[] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面的字符串数组,其实是一个一维数组,成员就是7个字符指针,每个指针指向一个字符串(字符数组)。

遍历字符串数组的写法如下。

for (int i = 0; i < 7; i++) {
  printf("%s\n", weekdays[i]);
}