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C语言字符数组和字符串详解

用来存放字符的数组称为字符数组,例如:
char a[10];  //一维字符数组
char b[5][10];  //二维字符数组
char c[20]={'c', '  ', 'p', 'r', 'o', 'g', 'r', 'a','m'};  // 给部分数组元素赋值
char d[]={'c', ' ', 'p', 'r', 'o', 'g', 'r', 'a', 'm' };  //对全体元素赋值时可以省去长度
字符数组实际上是一系列字符的集合,也就是字符串(String)。在C语言中,没有专门的字符串变量,没有string类型,通常就用一个字符数组来存放一个字符串。

C语言规定,可以将字符串直接赋值给字符数组,例如:
char str[30] = {"c.biancheng.net"};
char str[30] = "c.biancheng.net";  //这种形式更加简洁,实际开发中常用
数组第 0 个元素为'c',第 1 个元素为'.',第 2 个元素为'b',后面的元素以此类推。

为了方便,你也可以不指定数组长度,从而写作:
char str[] = {"c.biancheng.net"};
char str[] = "c.biancheng.net";  //这种形式更加简洁,实际开发中常用
给字符数组赋值时,我们通常使用这种写法,将字符串一次性地赋值(可以指明数组长度,也可以不指明),而不是一个字符一个字符地赋值,那样做太麻烦了。

这里需要留意一个坑,字符数组只有在定义时才能将整个字符串一次性地赋值给它,一旦定义完了,就只能一个字符一个字符地赋值了。请看下面的例子:
char str[7];
str = "abc123";  //错误
//正确
str[0] = 'a'; str[1] = 'b'; str[2] = 'c';
str[3] = '1'; str[4] = '2'; str[5] = '3';

字符串结束标志(划重点)

字符串是一系列连续的字符的组合,要想在内存中定位一个字符串,除了要知道它的开头,还要知道它的结尾。找到字符串的开头很容易,知道它的名字(字符数组名或者字符串名)就可以;然而,如何找到字符串的结尾呢?C语言的解决方案有点奇妙,或者说有点奇葩。

在C语言中,字符串总是以'\0'作为结尾,所以'\0'也被称为字符串结束标志,或者字符串结束符。
'\0'ASCII 码表中的第 0 个字符,英文称为 NUL,中文称为“空字符”。该字符既不能显示,也没有控制功能,输出该字符不会有任何效果,它在C语言中唯一的作用就是作为字符串结束标志。
C语言在处理字符串时,会从前往后逐个扫描字符,一旦遇到'\0'就认为到达了字符串的末尾,就结束处理。'\0'至关重要,没有'\0'就意味着永远也到达不了字符串的结尾。

" "包围的字符串会自动在末尾添加'\0'例如,"abc123"从表面看起来只包含了 6 个字符,其实不然,C语言会在最后隐式地添加一个'\0',这个过程是在后台默默地进行的,所以我们感受不到。

下图演示了"C program"在内存中的存储情形:


需要注意的是,逐个字符地给数组赋值并不会自动添加'\0',例如:
char str[] = {'a', 'b', 'c'};
数组 str 的长度为 3,而不是 4,因为最后没有'\0'

当用字符数组存储字符串时,要特别注意'\0',要为'\0'留个位置;这意味着,字符数组的长度至少要比字符串的长度大 1。请看下面的例子:
char str[7] = "abc123";
"abc123"看起来只包含了 6 个字符,我们却将 str 的长度定义为 7,就是为了能够容纳最后的'\0'。如果将 str 的长度定义为 6,它就无法容纳'\0'了。

当字符串长度大于数组长度时,有些较老或者不严格的编译器并不会报错,甚至连警告都没有,这就为以后的错误埋下了伏笔,读者自己要多多注意。

有些时候,程序的逻辑要求我们必须逐个字符地为数组赋值,这个时候就很容易遗忘字符串结束标志'\0'。下面的代码中,我们将 26 个大写英文字符存入字符数组,并以字符串的形式输出:
#include <stdio.h>
int main(){
    char str[30];
    char c;
    int i;
    for(c=65,i=0; c<=90; c++,i++){
        str[i] = c;
    }
    printf("%s\n", str);

    return 0;
}
在 VS2015 下的运行结果:

ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ口口口口i口口0 ?

表示无法显示的特殊字符。

大写字母在 ASCII 码表中是连续排布的,编码值从 65 开始,到 90 结束,使用循环非常方便。

在《C语言变量的定义位置以及初始值》一节中我们讲到,在很多编译器下,局部变量的初始值是随机的,是垃圾值,而不是我们通常认为的“零”值。局部数组(在函数内部定义的数组,本例中的 str 数组就是在 main() 函数内部定义的)也有这个问题,很多编译器并不会把局部数组的内存都初始化为“零”值,而是放任不管,爱是什么就是什么,所以它们的值也是没有意义的,也是垃圾值。

在函数内部定义的变量、数组、结构体、共用体等都称为局部数据。在很多编译器下,局部数据的初始值都是随机的、无意义的,而不是我们通常认为的“零”值。这一点非常重要,大家一定要谨记,否则后面会遇到很多奇葩的错误。

本例中的 str 数组在定义完成以后并没有立即初始化,所以它所包含的元素的值都是随机的,只有很小的概率会是“零”值。循环结束以后,str 的前 26 个元素被赋值了,剩下的 4 个元素的值依然是随机的,不知道是什么。

printf() 输出字符串时,会从第 0 个元素开始往后检索,直到遇见'\0'才停止,然后把'\0'前面的字符全部输出,这就是 printf() 输出字符串的原理。本例中我们使用 printf() 输出 str,按理说到了第 26 个元素就能检索到'\0',就到达了字符串的末尾,然而事实却不是这样,由于我们并未对最后 4 个元素赋值,所以第 26 个元素不是'\0',第 27 个也不是,第 28 个也不是……可能到了第 50 个元素才遇到'\0',printf() 把这 50 个字符全部输出出来,就是上面的样子,多出来的字符毫无意义,甚至不能显示。

数组总共才 30 个元素,到了第 50 个元素不早就超出数组范围了吗?是的,的确超出范围了!然而,数组后面依然有其它的数据,printf() 也会将这些数据作为字符串输出。

你看,不注意'\0'的后果有多严重,不但不能正确处理字符串,甚至还会毁坏其它数据。

要想避免这些问题也很容易,在字符串的最后手动添加'\0'即可。修改上面的代码,在循环结束后添加'\0'
#include <stdio.h>
int main(){
    char str[30];
    char c;
    int i;
    for(c=65,i=0; c<=90; c++,i++){
        str[i] = c;
    }
    str[i] = 0;  //此处为添加的代码,也可以写作 str[i] = '\0';
    printf("%s\n", str);
   
    return 0;
}
第 9 行为新添加的代码,它让字符串能够正常结束。根据 ASCII 码表,字符'\0'的编码值就是 0。

但是,这样的写法貌似有点业余,或者说不够简洁,更加专业的做法是将数组的所有元素都初始化为“零”值,这样才能够从根本上避免问题。再次修改上面的代码:
#include <stdio.h>
int main(){
    char str[30] = {0};  //将所有元素都初始化为 0,或者说 '\0'
    char c;
    int i;
    for(c=65,i=0; c<=90; c++,i++){
        str[i] = c;
    }
    printf("%s\n", str);
   
    return 0;
}
还记得《什么是数组》一节中强调过的吗?如果只初始化部分数组元素,那么剩余的数组元素也会自动初始化为“零”值,所以我们只需要将 str 的第 0 个元素赋值为 0,剩下的元素就都是 0 了。

字符串长度

所谓字符串长度,就是字符串包含了多少个字符(不包括最后的结束符'\0')。例如"abc"的长度是 3,而不是 4。

在C语言中,我们使用string.h头文件中的 strlen() 函数来求字符串的长度,它的用法为:

length strlen(strname);

strname 是字符串的名字,或者字符数组的名字;length 是使用 strlen() 后得到的字符串长度,是一个整数。

下面是一个完整的例子,它输出《C语言入门教程》网址的长度:
#include <stdio.h>
#include <string.h>  //记得引入该头文件

int main(){
    char str[] = "http://c.biancheng.net/c/";
    long len = strlen(str);
    printf("The lenth of the string is %ld.\n", len);
   
    return 0;
}
运行结果:
The lenth of the string is 25.

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