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10.C 语言内存划分,static,字符串

news 2025/8/3 6:32:18

字符串

C语言中，字符串实际上是以空字符 \0 结尾的字符数组。这意味着一个字符串不仅仅包含可见字符，还必须包含一个终止符（\0），这标志着字符串的结束。这种表示方法使得处理字符串既灵活又具有一定的复杂性。

字符串的定义

常量字符串：用双引号括起来的一组字符。
```
char *str = "Hello, World!";
```
这里 str 是一个指向字符串字面量的指针，该字符串存储在只读内存区域。
字符数组：用于存储可修改的字符串。
```
char str[] = "Hello, World!";
```
或者明确指定大小：
```
char str[14] = "Hello, World!";
```
注意这里的大小为 14，因为包括了结尾的 \0。

字符串的操作

C语言标准库提供了丰富的字符串处理函数，位于 <string.h> 头文件中：

strlen：计算字符串长度（不包括末尾的 \0）。
```
size_t len = strlen("Hello");
```
strcpy 和 strncpy：复制字符串。
- strncpy
- 功能：与 strcpy 类似，但是增加了额外的参数 n，表示最多复制的字符数。如果源字符串长度小于 n，则在目标字符串后面填充足够的空字符 \0 直到总共写了 n 个字符；如果源字符串长度大于或等于 n，则不会在目标字符串末尾添加终止空字符 \0，这意味着结果可能不是一个有效的C字符串。
- ```
char dst[20];
strcpy(dst, "Hello"); // 完全复制
strncpy(dst, "Hello", 5); // 最多复制前5个字符
```

strcat 和 strncat：连接字符串。

char greeting[20] = "Hello, ";
strcat(greeting, "World!"); // 将"World!"追加到greeting后

strcmp 和 strncmp：比较两个字符串。

int result = strcmp("abc", "def"); // 如果第一个参数小于第二个参数，则返回负数

strstr：查找子串首次出现的位置。

char *pos = strstr("Hello, World!", "World");

C 语言内存的几个主要区域

栈 (Stack)
- 用途：存储函数的局部变量（包括基本数据类型和数组）、函数参数、函数调用的返回地址和控制信息。
- 管理：由编译器自动管理。当函数被调用时，其局部变量和相关信息被压入栈；当函数返回时，这些数据被自动弹出并释放。
- 特点：访问速度快，空间有限，遵循后进先出（LIFO）原则。
堆 (Heap)
- 用途：用于动态内存分配。程序员使用 malloc、calloc、realloc 等函数在此区域分配内存，并使用 free 函数显式释放。
- 管理：由程序员手动管理。如果分配的内存没有被释放，就会导致内存泄漏。
- 特点：空间相对较大，分配和释放速度比栈慢。
全局/静态存储区 (Global/Static Storage Area)
- 这个区域通常进一步细分为两个部分：
  - 已初始化的数据段 (Initialized Data Segment / .data)：
    - 用途：存储程序中已初始化的全局变量和静态变量（包括 static 全局变量和 static 局部变量）。
    - 特点：在程序启动时分配，在程序结束时释放。
  - 未初始化的数据段 (Uninitialized Data Segment / .bss - Block Started by Symbol)：
    - 用途：存储程序中未初始化的全局变量和静态变量（编译器会自动将它们初始化为 0）。
    - 特点：在程序启动时分配，在程序结束时释放。
常量存储区 (Constant Storage Area / .rodata - Read-Only Data)
- 用途：存储程序中的常量数据，例如字符串字面量（String Literals）、用 const 修饰的全局或静态常量（某些实现可能放在这里，也可能放在 .data 段，但字符串字面量几乎总是在 .rodata）。
- 特点：通常位于只读内存区域，程序试图修改这里的值会导致未定义行为（通常是运行时错误，如段错误）。
代码区 (Code Segment / Text Segment)
- 用途：存储程序的可执行指令（机器码）。
- 特点：通常是只读的，以防止程序意外修改自身的指令。

字符串字面量存在哪个区域？

字符串字面量（例如 "Hello, World!"）存储在常量存储区（.rodata 段）。

为什么？ 字符串字面量是程序的一部分，在编译时就已经确定了内容。将它们放在只读的常量区可以防止程序意外修改它们，并且可以在多个地方安全地共享同一个字符串字面量的实例。
示例：
```
char *str1 = "Hello";
char *str2 = "Hello"; // str1 和 str2 可能指向同一个内存地址
```
在这个例子中，"Hello" 这个字符串字面量被存储在 .rodata 段。str1 和 str2 都是指向这个只读内存区域的指针。尝试修改 str1[0] = 'h'; 会导致未定义行为。

动态分配字符串

动态分配字符串意味着你需要使用标准库函数 malloc、calloc 或 realloc 来在运行时为字符串分配内存。这种方法允许你在程序执行期间根据实际需求调整字符串的大小，而不是在编译时就固定下来。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {char *str;// 分配内存用于存储字符串 "Hello, World!"str = (char *) malloc(14 * sizeof(char)); // 13个字符 + 1个'\0'if (str == NULL) { // 检查是否分配成功fprintf(stderr, "内存分配失败\n");exit(1);}// 复制字符串到新分配的内存strcpy(str, "Hello, World!");printf("%s\n", str);// 释放内存free(str);return 0;
}

这里我们使用了 malloc 函数来分配足够的内存以容纳指定的字符串，并通过 strcpy 将字符串复制到新分配的内存位置。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main() {char *str = (char *) malloc(5 * sizeof(char)); // 初始分配5个字符的空间if (str == NULL) {fprintf(stderr, "内存分配失败\n");exit(1);}strncpy(str, "Hi!", 4); // 包含终止符'\0'printf("Initial string: %s\n", str);// 重新分配更多空间str = (char *) realloc(str, 14 * sizeof(char)); // 现在有足够的空间存储 "Hello, World!"if (str == NULL) {fprintf(stderr, "内存重新分配失败\n");exit(1);}strcpy(str, "Hello, World!");printf("Extended string: %s\n", str);free(str);return 0;
}

注意：当使用 realloc 时，如果它不能分配请求的额外内存，则返回 NULL 并保持原内存块不变。因此，在重新分配之后检查返回值是很重要的，以避免丢失原始数据。

注意事项

初始化：动态分配的内存不一定被初始化为零或空字符。如果你打算立即使用这块内存作为字符串，请确保它以 \0 结尾。
内存泄漏：每次调用 malloc、calloc 或 realloc 后，都应该有相应的 free 调用来释放分配的内存，否则会导致内存泄漏。
越界访问：确保不会超出分配的内存范围写入数据，这可能会导致未定义行为或程序崩溃。

静态局部变量

当 static 关键字用于局部变量声明时，它改变了该变量的生命周期但不改变其作用域。具体来说：

生命周期：静态局部变量在整个程序运行期间都存在（即从程序开始到结束），而不是仅仅在其所在的代码块执行期间存在。
初始化：静态局部变量只会在第一次进入其所在的代码块时被初始化一次，并且如果没有显式初始化，会被自动初始化为0（对于数值类型）或NULL（对于指针类型）。
作用域：尽管其生命周期是整个程序运行期间，但它的作用域仍然局限于声明它的代码块内。

void func() {static int count = 0; // 只有第一次调用func时才会初始化为0count++;printf("%d\n", count);
}

每次调用 func() 函数时，count 的值都会增加，而不是重新从0开始计数。

int main() {func();func();return 0;
}

数字转换为字符串

使用 `sprintf` 或 `snprintf`

sprintf 和 snprintf 函数可以用来格式化输出到一个字符数组中，非常适合用于数字到字符串的转换。

sprintf：不检查目标缓冲区大小，可能导致缓冲区溢出。
snprintf：更安全的选择，允许指定最大写入字符数（包括终止空字符）。

#include <stdio.h>int main() {char buffer[10]; // 确保有足够的空间int num = 12345;// 使用 sprintfsprintf(buffer, "%d", num);printf("Using sprintf: %s\n", buffer);// 使用 snprintf 更加安全snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%d", num);printf("Using snprintf: %s\n", buffer);return 0;
}

使用 `itoa`（非标准）

尽管一些编译器支持 itoa 函数用于整数到字符串的转换，但它不是标准 C 库的一部分，因此移植性较差。

#include <stdio.h>int main() {char buffer[10];int num = 12345;itoa(num, buffer, 10); // 将整数num转换为十进制字符串存入bufferprintf("Using itoa: %s\n", buffer);return 0;
}

注意：由于 itoa 不是标准函数，使用时需谨慎。

字符串转换为数字

C语言提供了几个函数用于将字符串转换为各种类型的数字值：

使用 `atoi`, `atol`, `atof`

atoi: 将字符串转换为 int 类型。
atol: 将字符串转换为 long 类型。
atof: 将字符串转换为 double 类型。

这些函数简单易用，但不会报告转换错误。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {const char *strInt = "12345";const char *strFloat = "123.45";int intValue = atoi(strInt);double floatValue = atof(strFloat);printf("Integer value: %d\n", intValue);printf("Float value: %.2f\n", floatValue);return 0;
}

使用 `strtol`, `strtoul`, `strtod`

对于需要更多控制的情况，比如想要检测转换错误或处理基数不同的数字（如二进制、八进制、十六进制），可以使用以下函数：

strtol: 将字符串转换为长整型，并提供更多的错误检查功能。
strtoul: 类似于 strtol，但是结果是无符号长整型。
strtod: 将字符串转换为双精度浮点数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {const char *strInt = "12345";char *end;long int li = strtol(strInt, &end, 10); // 10表示十进制if (*end != '\0') { // 检查是否全部转换成功printf("Conversion error!\n");} else {printf("Converted integer: %ld\n", li);}return 0;
}

这些函数不仅能够进行转换，还能通过 end 参数返回第一个无法被转换的字符位置，从而帮助判断转换是否完全成功。