【C语言】字符串与字符函数详解（上）

小苏兮2025-07-21 22:48

C语言学习

字符函数和字符串函数上
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前言：

在C语言编程中，字符和字符串的处理是基础且重要的内容。本文将详细介绍C语言标准库中常用的字符分类函数、字符转换函数以及基础字符串操作函数（strlen、strcpy、strcat等），并通过模拟实现帮助读者深入理解这些函数的底层原理。学习这些函数不仅能提升编程效率，更能为后续复杂字符串处理打下坚实基础。

一、const和assert介绍

在讨论咱们下面要说的字符函数和字符串函数 和后面博客要说的内存函数 的模拟实现时，咱们要对关键字const 和函数assert有个有个认识，以便于咱们完成某些库函数的模拟实现。ok，咱们先看const吧。

1.1 const

const是一个在 C 和 C++ 中使用的关键字，主要用于定义常量和只读变量。它的主要作用包括：

  1. 限制变量的修改 ：使用const 可以确保变量的值在初始化后不会被改变，从而提高程序的安全性和可靠性。
  2. 指针的使用 ：在指针中，const可以用于定义常量指针和指向常量的指针，确保指针指向的地址或值不被修改。
  3. 增强代码可读性 ：通过使用const，程序员可以清晰地表达某些值是不可变的，从而提高代码的可读性。

修饰变量的示例：

c 复制代码 
int main()
{
	const int i = 10;
	i = 20;//错误，i不可被修改
	return 0;
}

修饰指针时要注意几个点：

代码1

c 复制代码 
int main()
{
	int i = 10; 
	const int* pi = &i;
	//int const * pi = &i;//两种写法一样，都表示*pi不可改
	*pi = 20;//错误，不可改
	pi = NULL;//可改，合法
	return 0;
}

代码2：

c 复制代码 
int main()
{
	int i = 10; 
	int* const pi = &i;
	*pi = 20;//可改，合法
	pi = NULL;//错误，不可改
	return 0;
}

那假如咱们需要将指针pi和*pi都不想让它被修改，想必聪明的你已经想到了，那就加两者const呗。

代码3：

c 复制代码 
int main()
{
	int i = 10; 
	const int* const pi = &i;
	*pi = 20;//错误，不可改
	pi = NULL;//错误，不可改
	return 0;
}

const修饰函数参数

咱们再来说一下，const修饰函数参数，比如size_t strlen ( const char * str ):
const 的作用：

仅表示在函数内部 不能通过 str 修改它指向的字符串。
两个常见误区：

误区一 ：const char*参数会让字符串变为只读。

事实：const仅限制函数内部的访问方式，不改变原始字符串的存储位置 。
误区二 ：函数内部的str一定指向只读区。

事实：取决于主函数传入的是字面量（只读）还是数组（可写）。

对const咱们就了解这么多，后续可以在代码中慢慢体会。

总之，const 是一个重要的关键字，能够帮助开发者编写更安全和可维护的代码。

1.2 assert断言

在C/C++中，assert函数是一个宏，用于在程序运行时进行断言检查。如果条件为假，assert会打印错误信息并终止程序运行，这有助于开发者在开发阶段快速发现并修复错误。

assert函数的使用

assert函数定义在<assert.h>（C++中也可以是）头文件中，其基本用法如下：

c 复制代码 
#include <assert.h>

//......

assert(条件表达式);

如果条件表达式的结果为假，assert会显示错误信息，格式通常为："Assertion failed: 条件表达式, file 文件名, line 行号"，然后程序崩溃并终止运行。如果条件表达式为真，则assert不会有任何操作。

示例：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <assert.h>
int main() 
{
    int i = 10;
    //......
    assert(i > 0);  // 如果 i <= 0，程序终止
    printf("%d\n", i);
    return 0;
}

assert的作用

assert的主要作用是作为一个调试工具，帮助开发者在代码中检测和断言预期的条件。它通常用于：

  • 检查函数参数的有效性。
  • 验证代码中的假设条件。
  • 捕捉不应该发生的错误。

在代码发布前，通常会禁用assert，以避免影响程序的性能。这可以通过定义NDEBUG宏来实现，如：

c 复制代码 
#define NDEBUG
#include <cassert>

assert的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。

⼀般我们可以在Debug中使用，在Release版本中选择禁用assert就行。在我现在用的vs2022这样的集成开发环境中，在 Release 版本中，直接就是优化掉了。这样在debug版本写有利于程序员排查问题，在 Release 版本不影响用户使用时程序的效率。

二、字符分类函数

C语⾔中有⼀系列的函数是专门做字符分类的，也就是⼀个字符是属于什么类型的字符的。

这些函数的使用都需要包含⼀个头文件是 ctype.

函数 描述
iscntrl 任何控制字符
isspace 空白字符：空格 ，换页 \f，换行 \n，回车 \r，制表符 \t 或垂直制表符 \v
isdigit 十进制数字 0~9
isxdigit 十六进制数字，包括所有十进制数字，小写字母 a~f，大写字母 A~F
islower 小写字母 a~z
isupper 大写字母 A~Z
isalpha 字母 a~z 或 A~Z
isalnum 字母或数字，a~z，A~Z，0~9
ispunct 标点符号，任何不属于数字或字母的图形字符（可打印）
isgraph 任何图形字符
isprint 任何可打印字符，包括图形字符和空白字符

这些函数的使用方法非常类似且简单，我们就来看⼀个函数，其他的非常类似：

c 复制代码 
int islower ( int c );

说明：

islower是能够判断参数部分的 c 是否是小写字母的。

通过返回值来说明是否是小写字母，如果是小写字母就返回非0的整数，如果不是小写字母，则返回0。

咱们可以试着写⼀个代码，将字符串中的小写字母转大写，其他字符不变：

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<ctype.h>
int main()
{
	char str[] = "Hello World!";
	char* pc = str;
	while (*pc)
	{
		if (islower(*pc))//小写则为真
			*pc -= 32;//大小写的ASCII码值相差32
		pc++;
	}
	printf(str);
	return 0;
}

测试：

字符分类函数就讲到这，咱们要多用才会熟悉。

三、字符转化函数

C语⾔提供了2个字符转换函数：

c 复制代码 
int tolower ( int c ); //将参数传进去的大写字母转小写
int toupper ( int c ); //将参数传进去的小写字母转大写

上一个代码，我们将小写转大写，是-32完成的效果，有了转换函数，就可以直接使用toupper函数:

c 复制代码 
#include<stdio.h>
#include<ctype.h>
int main()
{
	char str[] = "Hello World!";
	char* pc = str;
	while (*pc)
	{
		if (islower(*pc))//小写则为真
			//*pc -= 32;
			*pc = toupper(*pc);
		pc++;
	}
	printf(str);
	return 0;
}

字符函数就了解到这，接下来咱们来看看常见的字符串函数。

四、strlen的使用和模拟实现

strlen 函数是C语言中用于求字符串长度的函数。使用这个函数时，需要包含头文件 <string.h>。

既然是求字符串长度的，那么在来再回顾一下字符串吧：字符串以'\0'作为结束标志，strlen函数返回的是在字符串中 '\0' 前面出现的字符个数（不包含'\0')。 所以，参数指向的字符串必须要以'\0'结束。

函数原型：

c 复制代码 
size_t strlen ( const char * str );

解释：

size_t：返回类型为无符号整数（unsigned int），因为函数算的是长度；
const char * str ：参数指向待计算长度的字符串的指针，const表示在此函数内部不会修改字符串内容（安全性）。也就是说，函数strlen只负责计算字符串长度，不会改变字符串的内容。

strlen的使用：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main()
{
	const char* str1 = "abcdef";
	const char* str2 = "bbb";
	if (strlen(str2) - strlen(str1) > 0)
	{
		printf("str2>str1\n");
	}
	else
	{
		printf("srt1>str2\n");
	}
	return 0;
}

输出：

怎么会这样呢？strlen(str2)确实为3，strlen(str1)也是6，那3 -6怎么会大于0呢？这里咱们就要知道，此时strlen返回值3和6为size_t，即 unsigned int，所以3-6之后的结果也是unsigned int型的数据，显然，一定是大于0的。故输出没问题。

那咱们确实需要通过程序知道哪个字符串更长，该怎么办，其实，很简单，咱们把它强制类型转化为int就行。或者用int型的变量来就接受strlen的返回值，然后，再进行比较，也行。

了解了如何让使用，咱们可以自己模拟实现一下strlen函数。
strlen的模拟实现：

方法一：

c 复制代码 
//计数法
#include<assert.h>
size_t my_strlen(const char* pc)
{
	assert(pc);//断言，防止空指针传入
	int count = 0;//计数器
	while (*pc != '\0')
	{
		count++;
		pc++;
	}
	return count;
}

方法二：

c 复制代码 
//指针相减
#include<assert.h>
size_t my_strlen(const char* pc)
{
	assert(pc);//断言，防止空指针传入
	char* ch = pc;
	while (*ch != '\0')
	{
		ch++;
	}
	return ch-pc;
}

方法三：

c 复制代码 
//递归实现
#include<assert.h>
size_t my_strlen(const char* pc)
{
	assert(pc);//断言，防止空指针传入
	if (*pc == '\0')
		return 0;
	else
		return 1 + my_strlen(pc + 1);
}

法三咱们可能没有想到，就是递归的应用。

五、strcpy的使用和模拟实现

strcpy 函数是C语言中用于字符串拷贝函数，用于将一个字符串复制到另一个字符串。使用这个函数时，需要包含头文件 <string.h>。

既然要实现字符串拷贝，咱们对于源字符串和目标空间必须满足一定要求，才可以完成函数功能：

  • 源字符串必须以 '\0' 结束。（不然拷贝没有停止条件，且字符串本来就是以'\0'结尾）
  • 函数会将源字符串中的 '\0' 拷贝到目标空间。（字符串以'\0'结尾）
  • 目标空间必须足够大，以确保能存放源字符串。
  • 目标空间必须可修改。（不然不能拷贝）

函数原型：

c 复制代码 
char* strcpy(char * dest, const char * src );

解释：

dest：目标空间地址；
src：源字符地址；

返回值为目标函数地址，方便链式访问；

strcpy的使用：

咱们先来使用一下strcpy函数：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h> // 必须包含头文件

int main() 
{
    char src[] = "Hello, World!";
    char dest[20]; // 确保足够大以容纳 src + '\0'

    strcpy(dest, src); // 复制 src 到 dest
    printf("%s\n", dest); // 输出: Hello, World!

    return 0;
}

对strcpy函数有了了解，咱们可以试着来模拟实现一下
strcpy的模拟实现：

c 复制代码 
#include<assert.h>
char* my_strcpy(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src);
    char* p = dest;//保留目标空间的起始地址方便返回
    while (*src!='\0')
    {
        *dest++ = *src++;
    }
    *dest++ = *src++;//保证'\0'也会拷贝过去
    return p;
}

很多人可能会这样写，没问题，可以实现strcpy的功能，但咱们也可以看出来，代码有冗余的部分，咱们可以再来改进一下：

c 复制代码 
#include<assert.h>
char* my_strcpy(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src);
    char* p = dest;//保留目标空间的起始地址方便返回
    while (*dest++ = *src++)
    {
        ;
    }
    return p;
}

这里就解释是一个点：*dest++ = *src++表达式的结果 是 赋值的结果。所以当*str将\0赋值给*dest时，循环的判断条件为0（假），退出循环。

六、strcat的使用和模拟实现

strcat 函数是C语言中用于字符串连接的函数，其功能是将一个字符串追加到另一个字符串的末尾。使用这个函数时，需要包含头文件 <string.h>。

既然是追加，那么我们就要注意一些要点：

  • 源字符串必须以 '\0' 结束。
  • 目标字符串中也得有 '\0' ，否则没办法知道追加从哪里开始。
  • 目标空间必须有足够的大，能容纳下源字符串的内容。
  • 目标空间必须可修改。

函数的原型：

c 复制代码 
char *strcat(char *dest, const char *src);

解释：

dest ：目标空间地址；
src ：源字符串的地址；

返回类型：为目标空间地址。

strcat的使用：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
	char arr1[20] = "hello ";
	char arr2[] = "world";
	strcat(arr1, arr2);
	printf("%s\n", arr1);
	return 0;
}

输出：

那如果字符串自己给自己追加呢？

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
	char arr1[20] = "hello ";
	strcat(arr1, arr1);
	printf("%s\n", arr1);
	return 0;
}

未定义行为，函数会先找到 dest 的末尾（'\0'），然后从该位置开始复制 src（即自身）。由于复制过程会覆盖原字符串内容，导致无限循环或内存访问越界（具体行为取决于实现）。图示：

数组arr1（未追加前）：

数组arr1（开始追加）：

没有'\0'，无停止条件，会无限循环下去。

会导致非法访问或者其他未定义行为。

ok，有了这些了解。那咱们就模拟实现一下strcat函数吧。
strcat函数模拟实现：

c 复制代码 
#include<assert.h>
char* my_strcat(char* dest, const char* src)
{
	assert(dest && src);
	char* str = dest;
	while (*++dest);//使得dest指向'\0'
	while (*dest++ = *src++);//等同于strcpy
	return str;
}

在这个实现中，首先使用while循环找到dest中的'\0'字符，然后使用另一个while循环将src中的所有字符复制到dest中，包括'\0'字符。

七、strncpy函数的使用

**strncpy **函数是C语言标准库中的一个函数，用于将一个字符串的前 n 个字符复制到另一个字符串中。

函数原型：

c 复制代码 
char *strncpy(char *dest, const char *src, size_t n);

解释：

dest：指向目标数组的指针，用于存储复制的内容。
src：指向源字符串的指针。
n：要从源字符串中复制的字符数。

strncpy使用：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
	char str1[15];
	char str2[15];

	strcpy(str1, "abcdef");
	strcpy(str2, "ABCDEF");

	strncpy(str1, str2, 4);

	printf("%s\n", str1);
	return 0;
}

输出：

到这里，或许大家有些疑问，咱们来看看一些注意事项：

  1. **空字节填充：**当源字符串的长度小于 n 时，目标数组的剩余部分将用\0填充。
  2. **不自动添加终止符：**如果源字符串的长度大于或等于 n，目标字符串将不会自动添加终止符\0，需要手动添加。
  3. **目标空间足够大：**确保目标数组的大小足够大，以容纳复制的字符和终止符\0。

八、strncat函数的使用

strncat 函数是C语言标准库中的一个函数，用于将一个字符串的前n个字符连接到另一个字符串的末尾。这个函数定义在 <string.h> 头文件中。

函数原型：

c 复制代码 
char *strncat(char *dest, const char *src, size_t n)

strncat的使用：

c 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
	char dest[15];
	char src[15];

	strcpy(dest, "Hello ");
	strcpy(src, "world!");

	strncat(dest, src, 4);

	printf("%s\n", dest);
	return 0;
}

输出：

在这个例子中，strncat 函数将scr字符串的前4个字符追加到dest字符串的末尾。如果src的长度小于n，则会复制整个src字符串。如果 n 大于src的长度，那么只会追加src的全部字符到dest的末尾。无论哪种情况，都会在新字符串的末尾添加空字符。
注意事项：

使用strncat函数时，必须确保目标字符串有足够的空间来容纳追加的字符，以避免溢出。此外，应该注意strncat会覆盖dest字符串最后的空字符，并在追加完成后再次添加一个空字符。

总结

本文系统讲解了C语言中const关键字的用法、assert断言的作用，以及字符分类/转换函数的使用。重点剖析了strlen、strcpy和strcat等字符串函数的实现原理，并通过三种方式模拟实现了strlen函数。掌握这些基础函数的使用和实现原理，是成为合格C程序员的必经之路。下篇我们将继续探讨字符串比较、查找等更高级的字符串处理函数。

附录

上文链接

《深入理解柔性数组：特点、使用与优势分析》

下文链接

《字符串与字符函数详解（下）》

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