C语言入门，字符串和字符串函数知识讲解

前言

在 C 语言的学习过程中，字符与字符串的处理是一块绕不开的基础内容。本文围绕两个最常用的头文件展开：ctype.h 中的字符分类与字符转换函数，以及 string.h 中的常用字符串函数。

对于 ctype.h 部分，我们会介绍 isdigit、islower、ispunct 等字符分类函数，以及 tolower、toupper 两个字符转换函数，并结合练习演示它们的实际用法。

对于 string.h 部分，我们会依次讲解 strlen、strcpy、strcat、strcmp、strncpy、strncat、strncmp、strstr、strtok、strerror 等函数。每个函数都会先说明函数原型、功能、参数与返回值，再通过代码演示其使用方式；其中 strlen、strcpy、strcat、strcmp、strstr 还会进一步给出模拟实现的思路与代码，帮助大家理解这些函数在底层是如何工作的。

本文适合已经掌握 C 语言基本语法（变量、指针、数组、函数）的读者阅读，尤其适合正在学习 C 语言库函数、准备面试或想深入理解字符串函数实现原理的同学。建议按章节顺序阅读：先看第 1、2 节的字符函数打好基础，再进入第 3 节之后的字符串函数；对于带「模拟实现」的小节，可以先自己动手写一遍，再对照文中的思路与代码进行验证，效果会更好。

目录

• 1.字符分类函数
• 2.字符转换函数
• 3.strlen的使用和模拟实现
• 4.strcpy的使用和模拟实现
• 5.strcat的使用和模拟实现
• 6.strcmp函数的使用
• 7.strncpy函数的使用
• 8.strncat函数的使用
• 9.strncmp函数的使用
• 10.strstr函数
• 11.strtok函数的使用

1.字符分类函数

在C语言中有一类函数是专门对字符进行分类的，就是一个字符属于什么类型的字符。

在使用这些函数之前，必须要包含对应的头文件：#include <ctype.h>

那么这些函数具体有哪些呢？如下图所示：

若参数符合函数对应的条件，则会返回一个非0数，不符合返回0。

对上面的一些概念做一下解释：

这些函数对字符的类型做出了分类，下面我们就简单用几个函数做一个演示：

isdigit函数原型：

   int isdigit(int c);

根据函数原型，我们可以将字符填入到函数的参数部分：

islower函数原型：

   int islower(int c);

演示：

ispunct函数原型：

   int ispunct(int c);

演示：

在演示完几个函数之后，我们对字符分类函数有了一定的了解了，我们就可以来小试牛刀一下。

练习：

写一个代码，将字符串中的小写字母转大写，其他字符不变。

我们先来捋一下思路：

根据上面的思路，我们就可以尝试去写出以下代码了：

2.字符转换函数

C语言提供了2个字符转换函数：

   int tolower(int c);//将参数传进去的大写字母转成小写，只对大写字母有作用
   int toupper(int c);//将参数传进去的小写字母转成大写，只对小写字母有作用

我先来演示一下：

大小写转换就刚好可以去对上面练习的代码进一步的优化：

以下字符串函数（函数模拟实现除外）均要包含头文件：#include <string.h>

3.strlen的使用和模拟实现

strlen函数在之前的讲解中已经使用过了很多次，相信大家已经再熟悉不过了，但是在今天我们还是要带着大家在重新系统性的学一遍strlen函数相关的知识，让我们开始吧！

strlen函数原型：

   size_t strlen(const char* str);

strlen函数的功能：统计在字符串中'\0'前面出现的字符个数（不包括'\0'），将统计到的个数作为返回值。

注意事项：

1.字符串以**'\0'作为结束标志，参数指向的字符串必须要以 '\0'结束。
2.使用strlen函数时，需要包含头文件： #include <string.h>**

3.函数的返回值为size_t类型的，是无符号整型，因为字符串的长度是非负数。

学习过以上知识之后，我们还是来一道练习题来巩固一下，代码见下图：

提问：这段代码的运行结果是什么？

我们知道str2的字符串长度是3，str1的字符串长度是6，3-6得到-3，那么是不是输出str1>str2呢？

我们来看一下运行结果：

令我们没有想到的是，它输出的竟然是str2>str1,这到底是什么原因呢？下面我来为大家解释一下：

首先strlen函数的返回值是无符号整型，我们在计算到结果为-3时，由于-3在内存中是以补码的形式存储，但是打印在屏幕上的是原码，我们将-3转化成2进制的原码，通过换算得到补码，因为-3是无符号整型，不存在最高位是符号位，所有位都是数值位，所以它的原反补码相同，无符号整型减去无符号整型还是无符号整型，计算出来的结果始终是大于0的数。

那么代码怎么改进呢？其实是由2种方法的，首先第一种方法是直接让strlen函数进行大小比较：

第二种方法就是将strlen函数的返回值进行强制类型转化，让它变成有符号整型，进行正常运算。

这道题讲完之后，紧接着我们来讲一下关于strlen函数的模拟实现：在之前我们已经讲过了2种方法，如下：

方式1：

方式2：

但是如果题目改成不能在函数内部创建临时变量，怎么求字符串的长度？

接下来，我讲一种新方法，这里涉及函数递归，我们先来分析一下思路：

通过以上思路，我们可以尝试写出代码来：

在这里解释一下，为什么不能用str++呢？

不能使用str++的原因：str++是先使用，再++，所以my_strlen函数会先把str存的地址传过去，然后在原来的位置上在再进行++，传过去str是原来的地址，指向的对象不变，没有经过++的运算，递归可能会陷入死循环。

在这里，++str是可以使用的，先进行str++，改变指针的指向，再将str传过去，是可以实现传过去的指针发生变化的，但是在某些场景下可能会存在风险，因为str原来的地址也会被改变。我们所写的代码中，str+1可以保证str存的地址不变的基础上，可以将str+1的新地址传给下一个my_strlen。

4.strcpy的使用和模拟实现

strcpy函数原型：

   char* strcpy(char* destination, const char* source);

strcpy函数的功能：字符串拷贝，将源字符串逐字符复制到目标字符串中，包括结束符'\0'。

参数 ：

destination：指针，指向目标空间

source：指针，指向源头数据

返回值 ：

strcpy函数返回的目标空间的起始地址

学习了这些知识之后，你也许还不懂是什么意思，没关系的，接下来我们会通过举例来说明，结合知识去进一步的理解：

假设有2个字符串分别叫arr1、arr2,arr1中的字符串想要拷贝到arr2中去，我们会怎么做？

是直接把arr2赋给arr1吗?肯定不是

所以才有了strcpy函数，帮助我们去实现字符串的拷贝，演示一下，如下图：

使用strcpy函数完成拷贝，利用目标空间arr2的地址传给printf函数去打印：

另一种写法：将strcpy函数的返回值传给printf函数去打印，其实返回值也是目标空间arr2的地址

运行结果：

注意事项 ：

1.源字符串必须以'\0'结束，才能知道拷贝到那里结束

2.会将源字符串中的'\0'拷贝到目标空间

3.目标空间必须足够大，以确保能放得下源字符串

4.目标空间必须可修改

对于注意事项的第4点，如果目标空间存放的是常量字符串，能实现字符串的拷贝吗？

肯定是不能实现的，因为常量字符串是不能被修改的，将源字符串拷贝到目标空间中，就要求目标空间是可以修改的，因为是常量字符串，所以不能被修改。

对于注意事项的第2点，拷贝时会将源字符串的'\0'拷贝到目标空间去一个验证：

我们在调试过程中去观察，发现确实会将源字符串的'\0'拷贝到目标空间中。

那么我还有一个问题，就是当源字符串中含有'\0'时，它还会将处于'\0'之后的字符拷贝到目标空间中吗？我们来验证一下：

结果是不会拷贝'\0'之后的字符了，strcpy函数在拷贝时只管把'\0'前（包括'\0')的所有字符拷贝到目标空间中。

接下来，我们就要去模拟实现一下strcpy函数，首先我们先来捋一下strcpy函数的思路：

通过上面的思路，我们可以尝试去写一下代码：

对于这段代码来说，其实还存在优化的空间，那么哪些部分可以优化呢？

我们先来对while循环内的循环体进行优化：

这样我们可以将循环体中解引用部分和++部分做了一个很好的优化，但是'\0'打印的部分没有进行优化，接着继续优化，就产生了我们下一个版本：

另外一种写法：

在循环过程中，要对指针解引用，是不是要保证2个指针不是空指针：

我们希望源字符串不能被修改，目标空间可以被修改：

至此，我们完成了这段代码的优化。

5.strcat的使用和模拟实现

strcat函数原型：

   char* strcat(char* destination,const char* source);

strcat函数的功能：字符串追加，把source指向的源字符串中的所有字符都追加到destination指向的空间中。

参数 ：

destination：指针，指向目标空间

source：指针，指向源头数据

返回值 ：

strcat函数返回的目标空间的起始地址

接下来，我们先来演示一下：

运行结果：

注意事项 ：

1.源字符串必须以'\0'结束，否则不知道追加到源字符串的哪里结束追加。

2.目标字符串也得有'\0',否则没办法知道从目标空间的哪里开始追加。

3.目标空间必须要足够大，能容纳下源字符串的内容。

4.目标空间必须可修改。

我们想知道这个函数也会将源字符串的'\0'追加到目标空间吗？验证如下：

我们可以观察到arr2的变化，'\0'从源字符串追加到了arr2的空间里头，说明了我们的猜测是对的。

接下来，我们来模拟实现一下这个函数:

思路分析：

依据上面的思路，我们来尝试写一下代码：

6.strcmp函数的使用

接下来，我们来学习一个字符串的比较函数，首先是函数的原型：

   int strcmp(const char* str1,const char* str2);

**功能：**用来比较str1和str2指针分别指向的字符串，从两个字符串的第一个字符开始比较，如果两个字符的ASCLL码值相等，就比较下一个字符，直到遇到不相等的2个字符，或者字符串结束。

参数 ：

str1：指针，指向要比较的第一个字符串的首字符

str2：指针，指向要比较的第二个字符串的首字符

返回值：

标准规定：第一个字符串大于第二个字符串，返回大于0的数，相等返回0，小于返回小于0的数。

接下来，我用以上函数的基本信息来简单写一段代码：

或者直接将字符串作为参数，直接写进括号里面：

对函数的使用有了一定的了解后，我来模拟实现一下strcmp函数：

思路分析：

依据上面的思路，我可以尝试写出一下代码：

我查看一下运行的结果：

以上我学习的这组字符串函数，是对字符串长度没有限制的函数，那么肯定是由对字符串长度有限制的函数了，我就继续学习了。

7.strncpy函数的使用

先来看一下函数的原型：

   char* strncpy(char* destination,char* source,size_t num);

**功能：**字符串拷贝，将source指向的字符串拷贝到destination指向的空间中，最多拷贝num个字符

参数：

destination：指针，指向目标空间

source：指针，指向源头数据

num：从source指向的字符串中最多拷贝的字符个数

返回值：

strncpy函数返回的目标空间的起始地址

接下来，我用上面的知识写一段简单的代码：

运行结果：

假如我拷贝字符串超过源字符串的字符个数，目标空间字符串会发生什么变化呢？

调试截图：

首先它会拷贝过去源字符串的所有字符串，想要拷贝的字符个数与实际源字符串的个数差了几个，在拷贝过去的源字符串后补几个'\0'

**总结：**拷贝num个字符从源字符串到目标空间，如果源字符串的长度小于num，则拷贝源字符串之后，在目标的后边追加几个'\0',直到补充到num个

比较strcpy和strncpy函数 ：

· strcpy函数拷贝到'\0'为止，如果目标空间不够的话，容易出现越界行为。

· strncpy函数指定了拷贝的长度，源字符串不一定要有'\0',同时在设计参数的时候，就会多一层思考：目标空间的大小是否够用，strncpy相对strcpy函数更加安全。

8.strncat函数的使用

strncat的函数原型：

    char* strncat(char* destination,const char* source,sizt_t num);

**功能：**字符串追加；将source指向的字符串的内容，追加到destination指向的空间，最多追加num个字符。

参数：

destination：指针，指向了目标空间

source：指针，指向了源头数据

num：最多追加的字符的个数

**返回值：**返回的是目标空间的起始地址

学习了函数的相关知识之后，我来尝试简单的写一段代码：

运行结果：

但是在追加的时候是否会把'\0'拷贝到目标空间内，我来验证一下：

调试截图：

但是这能说明'\0'是从源字符串拷贝过来的吗？如果num小于源字符串的个数，那还会有'\0'拷贝过来吗？将num的值从3改为2，我来测试一下：

结果是这个'\0'不是源字符串拷贝过来的 ，而是在追加到num个源字符串的字符时，在末尾自动会补一个'\0'作为追加结束的。

如果num大于源字符串的字符个数，那么会发生什么情况呢？我们在上段代码的基础上，将num的值从2改为5，我来测试一下：

结果追加到源字符串末尾后，直接加一个'\0'，作为追加结束的标志，不会用'\0'去真正追加到5个字符，就只是追加完源字符串的所有字符就行（不包括'\0'）。

strcat和strncat对比：

· 参数不同，strncat多了一个参数

· strcat函数在追加的时候要将源字符串的所有内容，包括'\0'都追加过去，但是strncat函数指定了追加的长度。

· strncat函数中源字符串不一定要有'\0'了

· strncat更加灵活，也更加安全

9.strncmp函数的使用

strncat函数的原型：

   int strncmp(const char* str1,const char* str2,size_t num);

**功能：**字符串比较；比较str1和str2指向的两个字符串的内容，最多比较num个字符。

参数：

str1：指针，指向一个比较的字符串

str2：指针，指向另一个比较的字符串

num：最多比较的字符个数

**返回值：**若第一个字符串大于第二个字符串，则返回大于0的数；相等返回0；小于返回小于零的数。

学习了函数的相关知识之后，我来尝试写一段简单的代码：

运行结果：

只比较前5个字符，两个字符串确实是相等的

strcmp和strncmp比较：

· 参数不同

· strncmp可以比较任意长度

· strncmp函数更加灵活，更加安全

10.strstr函数

strstr函数的原型：

   char* strstr(const char* str1,const char* str2);

功能： strstr函数，查找str2指向的字符串在str1指向的字符串中出现的位置。简单来说，就是在一个字符串中找另一个字符串第一次出现的位置。

参数：

str1：指针，指向了被查找的字符串

str2：指针，指向了要查找的字符串

返回值：

· 如果str1指向的字符串中存在str2指向的字符串，那么返回第一次出现位置的指针

· 如果str1指向的字符串不存在str2指向的字符串，那么返回NULL

学习了函数的相关知识，我来尝试写一段简单的代码：

接下来，我来尝试模拟实现一下strstr函数：

思路分析：

由题目要求画出以下图：

只要被查找的字符串的指针指向'\0'时，就说明没有找到，这个可以作为循环的条件

第一次比较：

第二次比较：

第三次比较：

改进：

第四次比较：

第五次比较：

第六次比较：

依据上面的思路分析，我可以尝试去写出代码：

在特殊场景下的处理，当要查找的字符串是空字符串时：

11.strtok函数的使用

strtok函数的原型：

   char* strtok(char* str,const char* delim);

功能：

· 分割字符串： 根据delim参数中指定的分隔符，将输入的字符串str拆分成多个子字符串。

· 修改原始字符串： strtok会直接在原始字符串中插入'\0'终止符，替换分隔符的位置，因此原始字符串会被修改。

参数：

1.str：首次调用时传入待分割的字符串；后续调用传入NULL，表示继续分割同一个字符串。

2.delim：包含所有可能分隔符的字符串（每个字符均视为独立的分隔符）。

返回值：

· 成功时返回指向当前子字符串的指针。

· 没有更多子字符串时返回NULL。

使用步骤

1.首次调用： 传入待分割字符串和分隔符。

2.后续调用： 传入NULL和相同的分隔符，继续分割。

3.结束条件： 当返回NULL时，表示分割完成。

看完使用步骤，是不是看起来有点困难，不用担心，接下来我来写一段代码，相信能够帮助你去更好的理解：

运行结果：

但实际上在分割完字符串的时候，返回的空指针并不能去打印，这里其实像是报了一个错误警告了。

事实上，strtok函数并不是这样用的，它可以借助for循环，无论要分割几段字符串，它都能一次性完成分割，参考代码如下：

注意事项

· 破坏性操作： strtok会直接修改原始字符串，将其中的分隔符替换为'\0'。如果需要保留原字符串，应先拷贝一份。

· 连续分隔符： 多个连续的分隔符会被视为单个分隔符，不会返回空字符串。

` 空指针处理： 如果输入的str为NULL且没有前序调用，行为未定义。

12.strerror函数的使用

strerror函数的原型：

   char* strerror(int errnum);

功能：

1.strerror函数可以通过参数部分的errnum表示错误码，得到对应的错误信息，并且返回这个错误信息字符串首字符的地址。

2.strerror函数只针对标准库中的函数发生错误后设置的错误码转换。

参数：

errnum:表示错误码

这个错误码一般传递的是errno这个变量的值，在C语言有一个全局变量叫：errno，当库函数的调用发生错误的时候，就会将本次错误的错误码存放到errno这个变量中，使用这个全局变量需要包含一个头文件errno.h 。

返回值：

函数返回通过错误码得到的错误信息字符串的首字符的地址。

学习完函数的相关知识后，我来尝试写一段简单的代码，帮助大家更好的理解这个函数的使用：

运行结果：

后续我们还会见到库函数调用的一些错误，就不再过多在本文讲解了。

总结

本文围绕 ctype.h 与 string.h 两个头文件，梳理了 C 语言中最常用的一批字符与字符串函数，下面用要点列表做一次归纳。

一、ctype.h 字符分类与转换函数

• 字符分类函数 （isdigit、islower、isupper、isalpha、isalnum、isspace、ispunct 等）：用于判断一个字符属于哪一类，参数符合条件时返回非 0 值，不符合返回 0。
• 字符转换函数 （tolower、toupper）：只对相应大小写的字母生效，其他字符原样返回，常与分类函数配合完成大小写转换。
• 注意事项 ：参数类型为 int，传入的应当是 unsigned char 范围内的值或 EOF；函数只做判断与转换，不会修改原字符，需要接收返回值。

二、string.h 字符串函数

• strlen ：统计 '\0' 之前的字符个数，返回 size_t（无符号）；字符串必须以 '\0' 结束。
• strcpy ：把源字符串连同 '\0' 一起拷贝到目标空间；目标空间必须足够大且可修改。
• strcat ：把源字符串追加到目标字符串末尾，并追加 '\0'；目标空间必须足够大且可修改。
• strcmp：按字符 ASCII 码值逐字符比较，返回大于 0、等于 0、小于 0 三种结果。
• strncpy ：最多拷贝 num 个字符；源串长度不足 num 时用 '\0' 补齐，相对 strcpy 更安全。
• strncat ：最多追加 num 个字符，追加结束后自动补一个 '\0'；源串不要求以 '\0' 结尾。
• strncmp ：最多比较 num 个字符，比 strcmp 更灵活、更安全。
• strstr ：在 str1 中查找 str2 第一次出现的位置，找到返回该位置指针，找不到返回 NULL。
• strtok ：按分隔符拆分字符串，会直接修改原串（把分隔符替换为 '\0'），首次传字符串、后续传 NULL。
• strerror ：把错误码（通常取 errno）转换成对应的错误信息字符串，需包含 errno.h。

三、学习建议

1. 先手写模拟实现，再对照标准库 ：对 strlen、strcpy、strcat、strcmp、strstr 这类函数，先自己按思路写一遍，再对照标准库的行为与边界处理，理解会更牢固。
2. 注意 size_t 的无符号陷阱 ：strlen 等函数返回无符号整型，两个无符号数相减不会得到负数，比较时容易出错，必要时先强制转换为有符号类型或直接比较。
3. 优先使用带 n 的安全版本 ：在长度不确定的场景下，优先选择 strncpy、strncat、strncmp，并始终确认目标空间大小，避免越界。

参考资料

• C 标准库文档（ctype.h、string.h 各函数的原型与行为说明）
• cppreference 上关于 C 标准库头文件 ctype.h、string.h 的条目，可查阅各函数的详细定义与边界情况
• 各编译器（如 GCC、MSVC）自带的库函数手册与调试实践