高阶C语言|深入理解字符串函数和内存函数

前言

在C语言中，字符和字符串是常用的数据类型。然而，C语言并没有专门的字符串类型，所有字符串都是通过字符数组或字符串常量来表示。为了处理这些字符串，C语言提供了许多强大的库函数。本文将详细介绍这些常用的字符和字符串处理函数，以及它们的使用方法和注意事项。

1.求字符串长度

1.1 字符串长度函数：strlen

strlen 函数用来计算字符串的长度。它返回字符串中不包含终止字符 '\0' 的字符数量。

size_t strlen(const char *str);

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {const char *str = "Hello, world!";printf("Length of the string: %zu\n", strlen(str)); // 输出：13return 0;
}

模拟实现

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
//#include<string.h>int my_strlen(const char* str)
{assert(str);int count = 0;while (*str++) {count++;}return count;
}
int main()
{char arr[] = "abcdef";int ret = my_strlen(arr);printf("%d", ret);return 0;
}

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2.长度不受限制的字符串函数

2.1 字符串拷贝函数：strcpy

strcpy 函数将源字符串拷贝到目标字符串，包括终止符 '\0'。

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

注意事项：

• 源字符串必须以 '\0' 结束。
• 目标空间必须足够大，以容纳源字符串。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char dest[20];strcpy(dest, "Hello");printf("Destination string: %s\n", dest); // 输出：Helloreturn 0;
}

模拟实现

#include<stdio.h>
//#include<string.h>
#include<assert.h>void my_strcpy(char* dest,const char* source)
{assert(dest && source);while (*dest++=*source++) {;}
}int main()
{char arr1[] = "abcdefg";char arr2[] = "hijklmn";my_strcpy(arr1, arr2);printf("%s", arr1);return 0;
}

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2.2 字符串连接函数：strcat

strcat 函数将源字符串追加到目标字符串的末尾。它会覆盖目标字符串末尾的 '\0'，并将新的字符串结束符 '\0' 放置在新字符串的末尾。

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

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char dest[20] = "Hello, ";strcat(dest, "world!");printf("Concatenated string: %s\n", dest); // 输出：Hello, world!return 0;
}

模拟实现

#include<stdio.h>
//#include<string.h>
#include<assert.h>char* my_strcat(char* dest, const char* source)
{char* ret = dest;while (*dest) {dest++;}while (*dest++ = *source++) {;}return ret;
}int main()
{char arr1[20] = "abcdf";char arr2[10] = "ghijk";my_strcat(arr1, arr2);printf("%s", arr1);return 0;
}

2.3 字符串比较函数：strcmp

strcmp 函数比较两个字符串的大小。它返回一个整数，根据两个字符串的字典顺序进行比较。

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

• 如果 str1 大于 str2，返回大于 0 的值。
• 如果 str1 等于 str2，返回 0。
• 如果 str1 小于 str2，返回小于 0 的值。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {const char *str1 = "abc";const char *str2 = "abd";int result = strcmp(str1, str2);if (result < 0) {printf("str1 is less than str2\n");} else if (result > 0) {printf("str1 is greater than str2\n");} else {printf("str1 is equal to str2\n");}return 0;
}

模拟实现

#include<stdio.h>
//#include<string.h>
#include<assert.h>int my_strcmp(const char* str1,const char* str2)
{assert(str1 && str2);while (*str1== *str2) {str1++;str2++;}return *str1 - *str2;
}int main()
{char arr1[] = "abcd";char arr2[] = "abcf";int ret = my_strcmp(arr1, arr2);if (ret == 0){printf("=\n");}else if (ret > 0) {printf(">\n");}elseprintf("<\n");return 0;
}

3.长度受限制的字符串函数

3.1strncpy

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

• 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，则拷贝完源字符串之后，在目标的后边追加0，直到num个。

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3.2strncat

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

在目标字符串结尾追加源字符串前num个字符

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3.3strncmp

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

比较到出现另个字符不一样或者一个字符串结束或者num个字符全部比较完。

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4.字符串查找

4.1字符串查找函数：strstr

strstr 函数查找一个字符串在另一个字符串中首次出现的位置。如果找到，则返回该位置的指针；如果未找到，则返回 NULL。

char *strstr(const char *haystack, const char *needle);

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {const char *str = "This is a simple string";const char *substr = "simple";char *result = strstr(str, substr);if (result != NULL) {printf("Found substring: %s\n", result); // 输出：simple string}return 0;
}

模拟实现

#include<stdio.h>
//#include<string.h>
#include<assert.h>char* my_strstr(const char* str1, const char* str2)
{assert(str1 && str2);if (*str2 == '\0') {return (char*)str1;}const char* s1 = NULL;const char* s2 = NULL;const char* cp = str1;while (cp) {s1 = cp;s2 = str2;while (*s1 !='\0' && *s2 != '\0' && * s1 == *s2) {s1++;s2++;}if (*s2 == '\0')return (char*)cp;cp++;}return NULL;
}int main()
{char* p1 = "abbbcdef";char* p2 = "ba";char* ret = my_strstr(p1, p2);if (ret = NULL) {printf("Ҳ\n");}else {printf("%s", ret);}return 0;
}

4.2字符串分割函数：strtok

strtok 函数将字符串分割成多个标记，每次调用 strtok 返回下一个标记。当没有更多标记时，返回 NULL。

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

注意事项：

• strtok 会修改原始字符串，因此一般会拷贝字符串后再进行分割。
• 每次调用 strtok 返回字符串中的下一个标记，后续调用需要将第一个参数设为 NULL。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char str[] = "Hello, world! C programming";char *token = strtok(str, " ,!");while (token != NULL) {printf("Token: %s\n", token);token = strtok(NULL, " ,!");}return 0;
}

5.错误信息报告

5.1错误信息报告函数：strerror

strerror 函数根据错误码返回相应的错误信息。

char *strerror(int errnum);

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>int main() {FILE *file = fopen("nonexistent.txt", "r");if (file == NULL) {printf("Error: %s\n", strerror(errno));}return 0;
}

6.内存操作函数

6.1 内存操作函数：memcpy 和 memmove

• memcpy 用于从源内存区域复制指定字节的数据到目标内存区域。
• memmove 与 memcpy 类似，但它处理内存重叠的情况。

void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
void *memmove(void *dest, const void *src, size_t n);

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char src[] = "This is a test.";char dest[20];memcpy(dest, src, strlen(src) + 1);printf("Copied string: %s\n", dest);return 0;
}

memcpy模拟实现

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>void* my_memcpy(void* dest, const void* source, size_t num)
{assert(dest && source);void* ret = dest;while (num--){*(char*)dest = *(char*)source;dest = (char*)dest + 1;source = (char*)source + 1;}return ret;
}void test1()
{int arr1[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };int arr2[10] = { 0 };my_memcpy(arr1, arr2, 20);
}int main()
{test1();return 0;
}

memmove模拟实现

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>void* my_memmove(void* dest, const void* source, size_t num)
{assert(dest && source);void* ret = dest;if (dest < source) {while (num--) {*(char*)dest = *(char*)source;dest = (char*)dest + 1;source = (char*)source + 1;}}else {while (num--) {*((char*)dest + num) = *((char*)source + num);}}return ret;
}void test1()
{int arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};my_memmove(arr+3, arr, 20);
}int main()
{test1();//test2();return 0;
}

6.2 内存操作函数：memset

memset 函数用于将一块内存区域的所有字节设置为指定的值。通常用于初始化内存或将内存区域清零。

void *memset(void *s, int c, size_t n);

• s：指向内存区域的指针。
• c：要设置的值（以无符号字符形式）。
• n：要设置的字节数。

注意事项：

• memset 函数将指定的字节值填充到内存区域中，可以用于初始化数组或结构体的值。
• 由于是按字节处理，因此它适用于任何类型的内存块。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char str[20];memset(str, 'A', sizeof(str) - 1); // 将前19个字节设置为'A'str[19] = '\0';  // 确保字符串以'\0'结束printf("The string is: %s\n", str); // 输出：AAAAAAAAAAAAAAAAAAAreturn 0;
}

在上面的例子中，memset 将数组 str 的前 19 个字节设置为字符 'A'，并在最后设置为字符串的终止符 '\0'，确保它成为一个有效的字符串。

应用场景

1. 初始化数组或结构体：在动态分配内存或创建数据结构时，使用 memset 可以方便地初始化内存，将内存区域填充为特定的值。例如，常见的做法是使用 memset 来清零结构体或数组中的内容。

2. 清空敏感数据：当处理涉及敏感信息（如密码、密钥）的程序时，使用 memset 可以确保这些数据在使用后被立即清除，以减少安全隐患。

3. 内存清零：在程序需要清除缓存或重置数据时，memset 可以帮助快速设置内存区域为零。

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6.3 内存比较函数：memcmp

memcmp 函数用于比较两个内存区域的内容。它按字节逐一比较两个内存块，并根据比较结果返回一个整数值。

int memcmp(const void *ptr1, const void *ptr2, size_t num);

• ptr1：指向第一个内存区域的指针。
• ptr2：指向第二个内存区域的指针。
• num：要比较的字节数。

返回值：

• 如果两个内存区域的内容完全相同，则返回 0。
• 如果 ptr1 指向的内存块大于 ptr2，则返回大于 0 的值。
• 如果 ptr1 指向的内存块小于 ptr2，则返回小于 0 的值。

使用示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char buffer1[] = "DWgaOtP12df0";char buffer2[] = "DWGAOTP12DF0";int result = memcmp(buffer1, buffer2, sizeof(buffer1));if (result > 0) {printf("'%s' is greater than '%s'.\n", buffer1, buffer2);} else if (result < 0) {printf("'%s' is less than '%s'.\n", buffer1, buffer2);} else {printf("'%s' is the same as '%s'.\n", buffer1, buffer2);}return 0;
}

输出：

'DWgaOtP12df0' is greater than 'DWGAOTP12DF0'.

在这个示例中，memcmp 比较了两个字符数组 buffer1 和 buffer2 的内容。由于在比较过程中，DWgaOtP12df0 的字节值大于 DWGAOTP12DF0，所以返回的值大于 0。

注意事项：

1. 按字节比较：memcmp 是按字节逐一比较内存区域的内容，因此它不会考虑数据的类型。如果要比较更复杂的数据类型（例如结构体），需要保证结构体成员的字节表示没有问题。
2. 内存重叠问题：与 memcpy 不同，memcmp 不会处理内存重叠的情况，它只比较内存的内容，而不考虑是否存在重叠。因此在使用 memcmp 时要确保比较的内存区域不会重叠。

应用场景：

1. 内存区域比较：memcmp 适用于需要比较两个内存区域是否相等的场景，例如在数据校验或加密算法中经常使用它来比较数据块的内容。
2. 查找差异：当需要查找两个内存块中不同的位置时，可以使用 memcmp 来快速发现差异。

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