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C语言字符函数和字符串函数全解析：从使用到模拟实现

news 2025/8/3 6:15:18

在C语言编程中，字符和字符串的处理是非常核心的操作。为了简化这些操作，C语言标准库提供了一系列实用的字符函数和字符串函数。本文将全面讲解这些函数的使用方法、注意事项，并通过模拟实现帮助大家深入理解其底层逻辑。

一、字符分类函数

字符分类函数用于判断字符的类型（如是否为数字、字母、空白字符等），这些函数都声明在 <ctype.h> 头文件中。

常用字符分类函数列表

函数名	功能描述
`iscntrl`	判断是否为控制字符（如换行符、制表符）
`isspace`	判断是否为空白字符（空格、换页`\f`、换行`\n`、回车`\r`、制表符`\t`、垂直制表符`\v`）
`isdigit`	判断是否为十进制数字（0~9）
`isxdigit`	判断是否为十六进制数字（0_9、af、A~F）
`islower`	判断是否为小写字母（a~z）
`isupper`	判断是否为大写字母（A~Z）
`isalpha`	判断是否为字母（a_z或AZ）
`isalnum`	判断是否为字母或数字
`ispunct`	判断是否为标点符号（非字母/数字的可打印图形字符）
`isgraph`	判断是否为图形字符（可打印且非空白）
`isprint`	判断是否为可打印字符（含图形字符和空白）

函数特点

所有字符分类函数的参数为 int c（字符的ASCII码），返回值为：

非0整数：表示满足条件（真）
0：表示不满足条件（假）

示例：使用`islower`判断小写字母

下面代码将字符串中的小写字母转为大写，其他字符不变：

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>  // 包含字符分类函数声明int main() 
{int i = 0;char str[] = "Test String.\n";char c;while (str[i]) {  // 遍历字符串直到'\0'c = str[i];if (islower(c))  // 判断是否为小写字母c -= 32;  // 小写转大写（ASCII码差值）putchar(c);i++;}return 0;
}

输出结果：TEST STRING.

二、字符转换函数

C语言提供了两个常用的字符转换函数，同样声明在 <ctype.h> 中：

函数名	功能描述
`tolower(int c)`	将大写字母转为小写（非大写字母返回原字符）
`toupper(int c)`	将小写字母转为大写（非小写字母返回原字符）

示例：使用`toupper`转换小写字母

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>int main() 
{int i = 0;char str[] = "Test String.\n";char c;while (str[i]) {c = str[i];if (islower(c))c = toupper(c);  // 使用转换函数更简洁putchar(c);i++;}return 0;
}

输出结果：TEST STRING.

三、字符串长度函数`strlen`

strlen用于计算字符串的长度（不含结束符\0），声明在 <string.h> 中。

函数原型

size_t strlen(const char *str);  // size_t是无符号整数类型

关键特性

字符串必须以\0结尾，否则结果不确定；
返回值为size_t（无符号），注意比较时的坑（见示例）；
计算的是\0之前的字符个数。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() 
{const char* str1 = "abcdef";  // 长度6const char* str2 = "bbb";     // 长度3// 易错点：无符号数相减if (strlen(str2) - strlen(str1) > 0)  // 3-6 = -3，无符号下为大正数printf("str2>str1\n");  // 实际会执行这里elseprintf("str1>str2\n");return 0;
}

输出结果：str2>str1（因无符号数特性导致的逻辑错误）

模拟实现`strlen`

方式1：计数器法

#include <stdio.h>
#include <assert.h>  // 用于断言int my_strlen(const char* str) 
{assert(str != NULL);  // 确保指针非空int count = 0;while (*str) {  // 当*str为'\0'时终止count++;str++;  // 指针后移}return count;
}

方式2：递归法（无临时变量）

int my_strlen(const char* str) 
{assert(str);if (*str == '\0')return 0;elsereturn 1 + my_strlen(str + 1);  // 递归累加
}

方式3：指针-指针法

int my_strlen(const char* str) 
{assert(str);const char* start = str;  // 记录起始地址while (*start != '\0')start++;  // 移动到'\0'位置return start - str;  // 地址差值即长度
}

四、字符串拷贝函数`strcpy`

strcpy用于将源字符串拷贝到目标空间，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

关键特性

源字符串必须以\0结尾，且会将\0一同拷贝；
目标空间必须足够大（能容纳源字符串）；
目标空间必须可修改（不能是常量字符串）；
返回目标空间的起始地址。

模拟实现`strcpy`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strcpy(char* dest, const char* src) 
{assert(dest != NULL && src != NULL);  // 检查指针有效性char* ret = dest;  // 保存目标起始地址// 循环拷贝，直到拷贝'\0'后终止while ((*dest++ = *src++)) {;  // 空语句，逻辑在表达式中完成}return ret;  // 返回目标地址
}

五、字符串追加函数`strcat`

strcat用于将源字符串追加到目标字符串末尾，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

关键特性

源字符串必须以\0结尾；
目标字符串必须以\0结尾（否则无法确定追加起始位置）；
目标空间必须足够大（容纳原目标+源字符串）；
目标空间必须可修改；
字符串不能自己追加自己（会覆盖\0导致死循环）。

模拟实现`strcat`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strcat(char* dest, const char* src) 
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 1. 移动目标指针到'\0'位置while (*dest) {dest++;}// 2. 拷贝源字符串到目标末尾（含'\0'）while ((*dest++ = *src++)) {;}return ret;
}

六、字符串比较函数`strcmp`

strcmp用于比较两个字符串的大小，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

比较规则

从第一个字符开始逐个比较ASCII码值；
若字符不同，返回差值（str1字符 - str2字符）；
若所有字符相同且都到\0，返回0；
标准规定：
- 返回>0：str1 > str2
- 返回=0：str1 == str2
- 返回<0：str1 < str2

模拟实现`strcmp`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>int my_strcmp(const char* str1, const char* str2) 
{assert(str1 && str2);// 比较字符，直到不同或遇到'\0'while (*str1 == *str2) {if (*str1 == '\0')  // 都到'\0'，相等return 0;str1++;str2++;}// 返回差值return *str1 - *str2;
}

七、受限字符串拷贝函数`strncpy`

strncpy是strcpy的安全版本，可指定拷贝的字符数，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

关键特性

拷贝num个字符从源字符串到目标空间；
若源字符串长度 < num：拷贝完源字符串后，目标空间剩余部分补\0至num个；
若源字符串长度 ≥ num：只拷贝前num个字符（不自动补\0）。

模拟实现`strncpy`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strncpy(char* dest, const char* src, size_t num) 
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 拷贝前num个字符或直到源字符串结束while (num > 0 && *src != '\0') {*dest++ = *src++;num--;}// 若还有剩余num，补'\0'while (num > 0) {*dest++ = '\0';num--;}return ret;
}

八、受限字符串追加函数`strncat`

strncat是strcat的安全版本，可指定追加的字符数，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

关键特性

追加源字符串的前num个字符到目标字符串末尾；
无论是否追加满num个字符，最终都会在目标字符串末尾补一个\0；
若源字符串长度 < num：只追加源字符串到\0的部分，再补\0。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char str1[20];char str2[20];strcpy(str1, "To be ");strcpy(str2, "or not to be");strncat(str1, str2, 6);  // 追加str2的前6个字符"or not"printf("%s\n", str1);  // 输出：To be or notreturn 0;
}

模拟实现`strncat`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strncat(char* dest, const char* src, size_t num) 
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 1. 移动到目标字符串的'\0'位置while (*dest) {dest++;}// 2. 追加前num个字符（或源字符串结束）while (num > 0 && *src != '\0') {*dest++ = *src++;num--;}// 3. 必须补'\0'*dest = '\0';return ret;
}

九、受限字符串比较函数`strncmp`

strncmp用于比较两个字符串的前num个字符，声明在 <string.h> 中。

函数原型

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

关键特性

比较前num个字符，或直到遇到\0；
若前num个字符都相同，返回0；
若中途字符不同，返回差值（str1字符 - str2字符）。

模拟实现`strncmp`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>int my_strncmp(const char* str1, const char* str2, size_t num) 
{assert(str1 && str2);// 比较前num个字符while (num > 0) {if (*str1 != *str2) {return *str1 - *str2;  // 字符不同，返回差值}if (*str1 == '\0') {break;  // 已到字符串末尾}str1++;str2++;num--;}return 0;  // 前num个字符相同
}

十、字符串查找函数`strstr`

strstr用于查找子字符串在母字符串中第一次出现的位置，声明在 <string.h> 中。

函数原型

char* strstr(const char* str1, const char* str2);  // str1:母串，str2:子串

关键特性

若找到子串，返回子串在母串中第一次出现的起始地址；
若未找到，返回NULL；
若子串为空（*str2 == '\0'），返回母串起始地址。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() 
{char str[] = "This is a simple string";char* pch = strstr(str, "simple");  // 查找"simple"if (pch) {strncpy(pch, "sample", 6);  // 替换为"sample"printf("%s\n", str);  // 输出：This is a sample string}return 0;
}

模拟实现`strstr`

#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strstr(const char* str1, const char* str2) 
{assert(str1 && str2);// 子串为空，返回母串if (*str2 == '\0') {return (char*)str1;}const char* cp = str1;  // 母串起始指针while (*cp) {const char* s1 = cp;  // 母串当前比较位置const char* s2 = str2;  // 子串起始位置// 匹配子串while (*s1 && *s2 && *s1 == *s2) {s1++;s2++;}// 若子串已匹配完，返回当前cp位置if (*s2 == '\0') {return (char*)cp;}cp++;  // 母串指针后移继续查找}return NULL;  // 未找到
}

十一、字符串分割函数`strtok`

strtok用于按指定分隔符分割字符串，声明在 <string.h> 中。

函数原型

char* strtok(char* str, const char* sep);  // sep:分隔符集合

关键特性

sep是分隔符集合（如".,"表示.和,都是分隔符）；
第一次调用时，str为待分割字符串，函数返回第一个标记的地址；
后续调用需将str设为NULL，函数从上次保存的位置继续查找下一个标记；
函数会修改原字符串（将分隔符替换为\0），建议使用临时拷贝；
无更多标记时返回NULL。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char arr[] = "192.168.6.111";  // 原字符串（可修改）char* sep = ".";  // 分隔符为.char* str = NULL;// 循环分割字符串for (str = strtok(arr, sep); str != NULL; str = strtok(NULL, sep)) {printf("%s\n", str);  // 依次输出每个IP段}return 0;
}

输出结果：

十二、错误信息函数`strerror`

strerror用于获取错误码对应的描述信息，声明在 <string.h> 中。

函数原型

char* strerror(int errnum);  // errnum:错误码

关键特性

C语言用全局变量errno（声明在 <errno.h>）记录错误码；
程序启动时errno为0（无错误）；
库函数出错时会设置errno，strerror将其转为可读字符串。

使用示例

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>  // 包含errno定义int main() {// 打印0~10错误码对应的信息for (int i = 0; i <= 10; i++) {printf("%d: %s\n", i, strerror(i));}// 文件操作错误示例FILE* pFile = fopen("unexist.txt", "r");  // 打开不存在的文件if (pFile == NULL) {printf("Error: %s\n", strerror(errno));  // 输出错误信息}return 0;
}

扩展：`perror`函数

perror可直接打印错误信息，等价于printf("xxx: %s\n", strerror(errno))：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main() {FILE* pFile = fopen("unexist.txt", "r");if (pFile == NULL) {perror("Open file failed");  // 自动拼接错误信息}return 0;
}