C语言学习笔记20260618-字符串库函数模拟实现

一、学习目标

深入理解C语言中四个核心字符串库函数（strlen、strcpy、strcat、strcmp）的底层实现原理，掌握计数器、递归、指针运算等多种编程技巧，并学习如何通过断言（assert）和const修饰符来编写健壮、安全的底层代码。

二、模拟实现 strlen（获取字符串长度）

2.1 核心思路与三种实现方式

strlen 用于计算字符串中有效字符的个数（不包括末尾的 '\0'）。代码展示了三种经典的实现思路：

计数器方式 ：定义一个临时变量 count，遍历字符串直到遇到 '\0'，每遍历一个字符 count++。这是最直观、最容易理解的暴力解法。
递归方式 ：利用函数栈的特性。如果当前字符是 '\0'，返回0；否则返回 1 + 下一个字符的长度。这种方式代码极其精简，但深层递归可能导致栈溢出。
指针-指针方式 ：记录字符串的起始地址 s，用一个指针 p 遍历到末尾。利用C语言指针运算的特性，p - s 直接得出两个地址之间相隔的字符数。这是效率最高且最具C语言特色的写法。

2.2 代码实现与规范

c 复制代码

// 方式1：计数器方式
int my_strlen(const char* str)
{
    assert(str != NULL); // 防止传入空指针
    int count = 0;
    while (*str)
    {
        count++;
        str++;
    }
    return count;
}

// 方式2：不能创建临时变量计数器（递归）
int my_strlen(const char* str)
{
    assert(str != NULL);
    if (*str == '\0')
        return 0;
    else
        return 1 + my_strlen(str + 1);
}

// 方式3：指针-指针的方式
int my_strlen(char* s)
{
    assert(s != NULL);
    char* p = s;
    while (*p != '\0')
        p++;
    return p - s;
}

2.3 代码优化细节

const 修饰符 ：函数参数应使用 const char* str。因为 strlen 只是读取字符串，不需要修改它。加上 const 既能防止函数内部误修改数据，又能体现良好的编程规范。
返回值类型 ：标准库中 strlen 的返回值类型是 size_t（无符号整型），模拟实现时建议保持一致，以避免有符号与无符号数比较时产生的潜在警告。

三、模拟实现 strcpy（字符串拷贝）

3.1 核心思路

strcpy 将源字符串（包括 '\0'）完整拷贝到目标空间。最精妙的实现是将赋值操作直接放在 while 循环的判断条件中：while ((*dest++ = *src++))。

3.2 代码实现

c 复制代码

char* my_strcpy(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest != NULL);
    assert(src != NULL);
    
    char* ret = dest; // 保存目标字符串的起始地址，支持链式调用
    while ((*dest++ = *src++))
    {
        ; // 循环体为空，逻辑全在判断条件中
    }
    return ret;
}

3.3 代码解析

后置++的妙用 ：*dest++ = *src++ 利用了后置++"先使用，后自增"的特性。它先将 src 指向的字符赋值给 dest，然后两个指针同时向后移动一位。
自动拷贝 '\0' ：当 src 遍历到末尾的 '\0' 时，'\0' 会被赋值给 dest。在C语言中，'\0' 的 ASCII 码为 0，即逻辑"假"，此时 while 循环自然终止。这行代码完美地解决了"拷贝字符"和"终止循环"两个任务。
const 保护源串 ：源字符串 src 只读，必须用 const 修饰，防止在拷贝过程中被意外篡改。

四、模拟实现 strcat（字符串追加）

4.1 核心思路

strcat 将源字符串追加到目标字符串的末尾。实现逻辑分为两步：首先找到目标字符串的结束符 '\0'，然后从该位置开始执行与 strcpy 相同的拷贝逻辑。

4.2 代码实现

c 复制代码

char* my_strcat(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest != NULL);
    assert(src != NULL);
    
    char* ret = dest; // 保存目标字符串的起始地址
    
    // 第一步：找到目标字符串的末尾（'\0'的位置）
    while (*dest)
    {
        dest++;
    }
    
    // 第二步：从末尾开始拷贝源字符串（同strcpy逻辑）
    while ((*dest++ = *src++))
    {
        ;
    }
    
    return ret;
}

4.3 关键细节与隐患

重叠内存隐患 ：标准 strcat 不支持目标字符串和源字符串是同一块内存（即自己追加自己）。因为当第一个 while 找到 '\0' 后，第二个 while 的拷贝操作会立刻将这个 '\0' 覆盖掉，导致后续永远找不到终止符，引发死循环或缓冲区溢出。在实际工程中，应使用更安全的 strncat 或 snprintf。

五、模拟实现 strcmp（字符串比较）

5.1 核心思路

strcmp 逐字符比较两个字符串对应位置字符的 ASCII 码值。标准规定：str1 > str2 返回大于0的数，相等返回0，小于返回小于0的数。

5.2 代码实现

c 复制代码

int my_strcmp(const char* src, const char* dst)
{
    assert(src != NULL);
    assert(dst != NULL);
    
    int ret = 0;
    // 逐字符比较，直到出现不同字符或遇到字符串末尾
    while (!(ret = *(unsigned char*)src - *(unsigned char*)dst) && *dst)
    {
        ++src;
        ++dst;
    }
    
    // 将返回值归一化为 -1, 0, 1
    if (ret < 0)
        ret = -1;
    else if (ret > 0)
        ret = 1;
    return ret;
}

5.3 代码精妙之处

无符号数相减 ：代码中使用了 *(unsigned char*)src - *(unsigned char*)dst。将 char* 强转为 unsigned char* 是为了防止 char 在某些编译器下是有符号数（signed char），当遇到 ASCII 码大于 127 的扩展字符时，有符号减法可能导致错误的比较结果。
循环终止条件 ：!(ret = ... ) && *dst。只要两个字符相减结果为0（即字符相同）且未遇到字符串末尾，就继续比较下一个字符。
返回值归一化 ：标准库只要求返回正数、0或负数。代码最后通过 if-else 将结果归一化为 -1、0、1，这使得返回值更加规范，便于调用者进行精确的逻辑判断。