17-10 C 风格字符串

在第17.7节——C风格数组简介中，我们介绍了C风格数组，它允许我们定义一组顺序排列的元素：

int testScore[30] {}; // an array of 30 ints, indices 0 through 29

在第5.2节——字面量中，我们将字符串定义为连续字符的集合（例如“Hello, world!”），并介绍了C风格字符串字面量。我们还指出，C风格字符串字面量“Hello, world!”的类型为const char[14]（13个显式字符加1个隐藏的空终止符）。

若此前尚未领悟，此刻应已明了：C 风格字符串本质上就是元素类型为 char 或 const char 的 C 风格数组！

尽管 C 风格字符串常量在代码中仍可使用，但 C 风格字符串对象在现代 C++ 中已逐渐失宠——因其使用困难且存在风险（现代替代方案为 std::string 和 std::string_view）。尽管如此，在旧代码中仍可能遇到C风格字符串对象的使用场景，若完全忽略它们则有失偏颇。

因此本节课将重点解析现代C++中关于C风格字符串对象的核心要点。

定义C风格字符串

要定义C风格字符串变量，只需声明一个C风格的char（或const char/constexpr char）数组变量：

char str1[8]{};                    // an array of 8 char, indices 0 through 7

const char str2[]{ "string" };     // an array of 7 char, indices 0 through 6
constexpr char str3[] { "hello" }; // an array of 6 const char, indices 0 through 5

请注意，我们需要额外添加一个字符来表示隐式空终止符。

在使用初始化器定义C风格字符串时，我们强烈建议省略数组长度，让编译器自动计算长度。这样即使初始化器在未来发生变化，您也无需记得更新长度，同时避免了忘记添加额外元素来容纳空终止符的风险。

C 风格字符串会衰变

在第 17.8 课——C 风格数组衰变中，我们讨论了 C 风格数组在大多数情况下会衰变为指针。由于C风格字符串本质是C风格数组，它们同样会衰变——C风格字符串常量会衰变为const char，而C风格字符串数组则根据数组是否为const，衰变为const char或char*。当C风格字符串衰变为指针时，字符串长度（编码在类型信息中）将丢失。

这种长度信息的丢失正是C风格字符串采用空终止符的原因。字符串长度可通过统计字符串开头至空终止符之间的元素数量来（低效地）重建。

输出C风格字符串

输出C风格字符串时，std::cout会持续输出字符直至遇到空终止符。该空终止符标记字符串结束位置，从而使衰变字符串（即已丢失长度信息的字符串）仍可被打印出来。

#include <iostream>

void print(char ptr[])
{
    std::cout << ptr << '\n'; // output string
}

int main()
{
    char str[]{ "string" };
    std::cout << str << '\n'; // outputs string

    print(str);

    return 0;
}

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若尝试打印未以空字符结尾的字符串（例如因空字符被覆盖所致），则会导致未定义行为。这种情况下最可能的结果是：字符串中的所有字符都被打印出来后，程序会继续将相邻内存单元中的内容（被解释为字符）持续输出，直到遇到包含字节值为0的内存单元（该值将被解释为空终止符）为止！

输入C风格字符串

假设我们要求用户掷骰子任意多次，并将掷出的数字连续输入（例如524412616）。用户会输入多少个字符？我们无法预知。

由于C风格字符串是固定大小的数组，解决方案是声明一个远大于实际需求的数组：

#include <iostream>

int main()
{
    char rolls[255] {}; // declare array large enough to hold 254 characters + null terminator
    std::cout << "Enter your rolls: ";
    std::cin >> rolls;
    std::cout << "You entered: " << rolls << '\n';

    return 0;
}

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在 C++20 之前，std::cin >> 操作符会尽可能多地提取字符到 rolls 数组（在遇到第一个非首字符空格时停止）。没有任何机制阻止用户输入超过 254 个字符（无论是无意还是恶意）。若发生这种情况，用户的输入将导致 rolls 数组溢出，从而引发未定义行为。

关键洞察：
数组溢出Array overflow或缓冲区溢出buffer overflow是计算机安全问题，指存储空间被超容量数据覆盖的情况。此时存储区后方的内存将被覆盖，导致行为未定义。恶意攻击者可能利用此漏洞覆盖内存内容，试图以某种有利方式改变程序行为。

在C++20中，>>运算符被修改为仅支持输入未衰变的C风格字符串。这使得>>运算符只能提取不超过C风格字符串长度的字符，从而防止溢出。但这也意味着您无法再使用>>运算符向衰变的C风格字符串输入数据。

使用std::cin读取C风格字符串的推荐方式如下：

#include <iostream>
#include <iterator> // for std::size

int main()
{
    char rolls[255] {}; // declare array large enough to hold 254 characters + null terminator
    std::cout << "Enter your rolls: ";
    std::cin.getline(rolls, std::size(rolls));
    std::cout << "You entered: " << rolls << '\n';

    return 0;
}

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此调用 cin.getline() 将读取最多 254 个字符（含空格）至 rolls。超出部分将被丢弃。由于 getline() 需要长度参数，我们可以指定最大接收字符数。对于非衰减数组，这很简单——可使用 std::size() 获取数组长度。但对于衰减数组，则需通过其他方式确定长度。若提供错误的长度参数，程序可能出现功能异常或引发安全隐患。

在现代C++中，存储用户输入文本时使用std::string更为安全，因为该类型会自动调整以容纳所需字符数量。

修改C风格字符串

需要注意的一点是，C风格字符串遵循与C风格数组相同的规则。这意味着你可以创建字符串时进行初始化，但之后不能使用赋值运算符向其赋值！

char str[]{ "string" }; // ok
str = "rope";           // not ok!]

这使得使用C风格字符串有些不方便。

由于C风格字符串本质上是数组，你可以使用[]运算符来修改字符串中的单个字符：

#include <iostream>

int main()
{
    char str[]{ "string" };
    std::cout << str << '\n';
    str[1] = 'p';
    std::cout << str << '\n';

    return 0;
}

该程序输出：

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获取C风格字符串的长度

由于C风格字符串本质是C风格数组，可使用std::size()（或C++20中的std::ssize()）获取字符串作为数组的长度。需注意两点：

此方法对衰变字符串无效。

返回的是C风格数组的实际长度，而非字符串本身的长度。

#include <iostream>

int main()
{
    char str[255]{ "string" }; // 6 characters + null terminator
    std::cout << "length = " << std::size(str) << '\n'; // prints length = 255

    char *ptr { str };
    std::cout << "length = " << std::size(ptr) << '\n'; // compile error

    return 0;
}

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另一种解决方案是使用strlen()函数，该函数位于头文件中。strlen()可对衰变数组进行操作，并返回所持有字符串的长度（不包含空终止符）：

#include <cstring> // for std::strlen
#include <iostream>

int main()
{
    char str[255]{ "string" }; // 6 characters + null terminator
    std::cout << "length = " << std::strlen(str) << '\n'; // prints length = 6

    char *ptr { str };
    std::cout << "length = " << std::strlen(ptr) << '\n';   // prints length = 6

    return 0;
}

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然而，std::strlen() 的运行效率较低，因为它需要遍历整个数组，逐个计数字符直至遇到空终止符。

其他C风格字符串操作函数

由于C风格字符串是C语言中的主要字符串类型，C语言提供了大量用于操作C风格字符串的函数。这些函数作为头文件的一部分被C++继承。

以下是旧代码中常见的几个实用函数：

  • strlen() -- 返回C风格字符串的长度
  • strcpy()、strncpy()、strcpy_s() -- 将一个C风格字符串覆盖到另一个字符串
  • strcat()、strncat() () -- 将一个C风格字符串追加到另一个字符串末尾
  • strcmp(), strncmp() -- 比较两个C风格字符串（相同时返回0）

除strlen()外，我们通常建议避免使用

避免使用非const C风格字符串对象

除非存在特定且充分的理由，否则应尽量避免使用非const C风格字符串。这类字符串操作不便且易引发溢出，导致未定义行为（并可能引发安全隐患）。

在极少数需要处理C风格字符串或固定缓冲区大小的场景（例如内存受限设备），我们建议使用经过充分测试的第三方固定长度字符串库。

最佳实践:
避免使用非const C风格字符串对象，优先采用std::string。

测验时间

问题 #1

编写一个函数，逐字符打印C风格字符串。使用指针和指针运算遍历字符串的每个字符并打印该字符。编写主函数，使用字符串常量“Hello, world!”测试该函数。

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显示解决方案

#include <iostream>

// str will point to the first letter of the C-style string.
// Note that str points to a const char, so we can not change the values it points to.
// However, we can point str at something else.  This does not change the value of the argument.
void printCString(const char str[])
{
    // While we haven't encountered a null terminator
    while (*str != '\0')
    {
        // print the current character
        std::cout << *str;

        // and use pointer arithmetic to move str to the next character
        ++str;
    }
}

int main()
{
    printCString("Hello world!");

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

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问题 #2

重复测验 #1，但本次函数应将字符串倒序打印。

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显示解决方案

#include <iostream>

void printCStringBackwards(const char str[])
{
    // We can't modify str this time (we need it later)
    // So we'll define a new pointer with the same address as str
    const char *ptr{ str };

    // Find the null terminator
    while (*ptr != '\0')
        ++ptr;

    // Now walk backwards and print characters until ptr reaches str again
    while (ptr-- != str)
    {
        std::cout << *ptr;
    }
}

int main()
{
    printCStringBackwards("Hello world!");

    std::cout << '\n';

    return 0;
}
posted @ 2026-01-12 23:40  游翔  阅读(86)  评论(0)    收藏  举报