10. C语言的字符串_C 语言教程

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。

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s1和s2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()跟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s2，strcmp()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s2，strcmp()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]);
}

下一节：C 语言的内存管理，分成两部分。一部分是系统管理的，另一部分是用户手动管理的。