【我为同学解难题| 第252期】C++第12期：如何处理字符串数据

文摘 2024-11-20 20:01 江苏

在 C++ 中，我们可以通过多种方式处理字符串数据。最常见的两种方式是使用 C 风格字符串 (cstring) 和 C++ 标准字符串类 (std::string)。这两者都用于表示字符串，但它们有着本质的差异。今天，我们将深入探讨 cstring 和 std::string 的差异，并详细介绍一些库中的常见函数的特点和使用方法。

一、C风格字符串(cstring)

C 风格字符串是以字符数组的形式存储的，是一个以 ‘\0' （空字符）结尾的字符序列。在 C 语言中，字符串就是一个字符数组，而在 C++ 中，虽然 std::string 提供了更强大的字符串操作功能，但 cstring 依然被广泛使用。

1. cstring 的基本结构

cstring 本质就是一个 char 类型的数组，表示字符串的内容char str[] = "Hello, World!";或者使用指针：const char* str = "Hello, World!";

2. cstring 的常见函数

2.1 strlen() - 获取字符串长度

strlen() 函数用于获取 C 风格字符串的长度（不包括空字符 \0）。

原型：size_t strlen(const char* str);

示例：

char str[] = "Hello, World!";

std::cout << strlen(str); // 输出: 13

请注意，strlen() 返回的是字符串的字符数，不包括 \0。而且，这个函数并不适用于空指针，如果传入空指针会导致未定义行为。

2.2 strcpy() - 字符串复制

strcpy() 函数可以将源字符串复制到目标字符串中。

原型：char* strcpy(char* dest, const char* src);

示例：

char src[] = "Hello";

char dest[20];

strcpy(dest, src);

std::cout << dest; // 输出: Hello

在这里需要注意的问题是，目标字符串必须足够大，以容纳源字符串，包括 \0 终止符。同时，strcpy() 可能导致缓冲区溢出，因此需要小心使用，最好使用更安全的版本 strncpy()（指定最大复制长度）。

2.3 strcat() - 字符串拼接

strcat() 函数用于将一个字符串追加到另一个字符串的末尾。

原型：char* strcat(char* dest, const char* src);

示例：

char str1[20] = "Hello";

char str2[] = " World!";

strcat(str1, str2);

std::cout << str1; // 输出: Hello World!

同样，目标字符串必须有足够的空间来容纳拼接后的字符串，否则会发生缓冲区溢出。strcat() 并不会检查目标字符串的大小，因此需要谨慎使用。

2.4 strcmp() - 字符串比较

strcmp() 函数用于比较两个字符串的大小。

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

返回值：

· 如果 str1 等于 str2，返回 0。

· 如果 str1 小于 str2，返回负值。

· 如果 str1 大于 str2，返回正值。

示例：

char str1[] = "apple";

char str2[] = "banana";

int result = strcmp(str1, str2);

if (result < 0) {

std::cout << "str1 is less than str2" << std::endl;

}

在这里一个特别要注意的问题是，strcmp() 是大小写敏感的，也就是说 "apple" 和 "Apple" 被认为是不同的字符串。它比较的是字符串的字典顺序。

2.5 strncpy() - 安全的字符串复制

strncpy() 函数类似于 strcpy()，但是它允许我们指定复制的最大字符数，从而避免缓冲区溢出。

原型：char* strncpy(char* dest, const char* src, size_t n);

示例：

char src[] = "Hello, World!";

char dest[10];

strncpy(dest, src, sizeof(dest) - 1);

dest[sizeof(dest) - 1] = '\0'; // 确保字符串以 null 结尾

std::cout << dest; // 输出: Hello

为什么这里要特意设置\0呢，是因为strncpy() 并不会自动添加终止符 \0，所以需要手动确保目标字符串以 \0 结尾。它的优点是不会复制超出指定的字符数，大大降低了缓冲区溢出的风险。

2.6 strncat() - 安全的字符串拼接

strncat() 函数类似于 strcat()，但它允许指定最大拼接长度，从而避免溢出。

原型：char* strncat(char* dest, const char* src, size_t n);

示例：

char str1[20] = "Hello";

char str2[] = " World!";

strncat(str1, str2, 6); // 只拼接前 6 个字符

std::cout << str1; // 输出: Hello World

在这里，strncat() 会自动在目标字符串末尾添加 \0，但是仍然需要确保目标字符串有足够的空间

2.7 strchr() - 查找字符

strchr() 函数用于查找某个字符在字符串中首次出现的位置。

原型：char* strchr(const char* str, int ch);

返回值：

如果找到了字符，返回指向该字符的指针；如果没有找到，返回 nullptr。

示例：

const char* str = "Hello, World!";

char* result = strchr(str, 'o');

if (result) {

std::cout << "Found: " << *result << std::endl; // 输出: Found: o

}

在这里要区分，strchr() 查找的是字符，而不是字符串。如果查找的字符不存在，返回 nullptr。

二、C++标准字符串类(std:string)

std::string 是 C++ 标准库中的字符串类，定义在头文件中，提供了非常方便且功能丰富的字符串操作。它封装了 C 风格字符串的基本功能，同时提供了更多的功能和自动内存管理，使得字符串操作更加安全、简洁。它封装了对字符数组的管理，并提供了一些便捷的方法来操作字符串。与 C 风格的字符数组相比，std::string 不仅更安全，还能自动处理内存管理，减少了开发者的负担。（注：如果在使用std::string前使用了using namespace std; 则可直接使用string而无需添加std::前缀）

#include<iostream>

#include<string>

int main() {

std::string str = "Hello, World!";

std::cout << str << std::endl;

return 0;

}

1. 创建和初始化 std::string

std::string 可以通过多种方式进行初始化：

std::string s1 = "Hello, World!"; // 使用字符串字面值初始化

std::string s2("Hello"); // 使用构造函数初始化

std::string s3(10, 'A'); // 使用字符重复初始化，创建一个包含 10 个 'A' 的字符串

std::string s4 = s2; // 复制构造，创建 s2 的副本

2. 重要的 std::string 成员函数

2.1 size() 和 .length()

这两个函数用于获取字符串的长度，返回字符串中字符的个数（不包括结束符 \0）。这两个函数是等效的，通常我们使用 .size()，因为它是容器类标准方法。

std::string str = "Hello, World!";

std::cout << "Length of string: " << str.size() << std::endl; // 输出: 13

std::cout << "Length of string: " << str.length() << std::endl; // 输出: 13

std::string 内常使用一个动态分配的字符数组来存储字符数据，因此获取长度是一个常数时间操作 O(1)，不需要遍历整个数组。

2.2 empty()

判断字符串是否为空，若字符串长度为 0，返回 true，否则返回 false。

std::string str = "Hello";

if (str.empty()) {

std::cout << "String is empty!" << std::endl;

} else {

std::cout << "String is not empty!" << std::endl; // 输出: String is not empty!

}

2.3 append() 和 operator+=

这两个方法用于向字符串末尾追加内容。append() 可以接受一个字符串或字符数组，并将其附加到当前字符串后面，operator+= 则是另一种简洁的方式来进行拼接。

std::string str = "Hello";

str.append(", World!");

str += " Welcome!";

std::cout << str << std::endl; // 输出: Hello, World! Welcome!

std::string 会将字符数据存储在动态数组中，追加操作会检查当前数组是否有足够空间。如果空间不足，std::string 会重新分配更大的内存并复制原有内容。由于动态数组的复制过程需要 O(n) 时间，因此追加操作在某些情况下可能是比较耗时的。

2.4 substr()

该方法用于提取字符串的子字符串。你可以指定起始位置（索引）和长度。

std::string str = "Hello, World!";

std::string sub = str.substr(7, 5); // 从位置 7 开始，提取 5 个字符

std::cout << sub << std::endl; // 输出: World

.substr() 会创建一个新的字符串对象并返回，原始字符串的数据不会被修改。

2.5 find()

用于查找子字符串或字符在字符串中的位置。返回值是第一个匹配的字符位置，若没有找到，则返回 std::string::npos。

std::string str = "Hello, World!";

size_t pos = str.find("World");

if (pos != std::string::npos) {

std::cout << "Found at position: " << pos << std::endl; // 输出: Found at position: 7

}

.find() 会遍历字符串并比较每个字符，直到找到匹配项或到达字符串末尾，因此时间复杂度是 O(n)，其中 n 是字符串的长度。特别地，std::string::npos 的实际值是 std::size_t 的最大值（是一个非常大的无符号整数），而不是 -1。

2.6 erase()

删除字符串中的字符或字符范围，可以指定删除的位置（索引）和长度。

std::string str = "Hello, World!";

str.erase(5, 7); // 从位置 5 开始删除 7 个字符

std::cout << str << std::endl; // 输出: Hello

删除操作会移动字符串中剩余字符的位置，导致时间复杂度为 O(n)，其中 n 是剩余字符的数量。

2.7 replace()

替换字符串中的某一部分，可以指定起始位置、替换的长度和替换的新字符串。

std::string str = "Hello, World!";

str.replace(7, 5, "Universe"); // 从位置7开始，替换5个字符

std::cout << str << std::endl; // 输出: Hello, Universe!

.replace() 会通过类似 .erase() 的方式删除旧内容，并插入新内容，因此时间复杂度与删除和插入操作相关。

三、总结

cstring（C 风格字符串）和 string（C++ 标准库字符串类）都是C++ 中处理字符串的两种主要方式，它们在内存管理、功能和安全性等方面有显著差异。

cstring 基于字符数组，以空字符 \0 结尾，需要手动管理内存，操作函数如 strcpy、strlen 等可能导致缓冲区溢出等安全问题；而 std::string 是一个封装了字符串操作的类，自动管理内存，提供了丰富的成员函数，如 append()、find()、substr() 等，使字符串操作更加简洁和安全std::string 能动态调整大小，支持直接赋值和拼接，避免了手动内存管理的复杂性和潜在错误。

总体而言，cstring 适用于与 C 语言兼容或对性能有极高要求的场景，而 std::string 则是现代 C++ 编程中处理字符串的推荐选择，提供了更高的安全性和易用性。

四、习题小练

学习到这里辛苦啦！不过还是想考验一下大家对知识的掌握程度，以下是两道例题。

1.关于 std::string::npos，以下说法错误的是？

A. npos 是 std::string 中用于表示未找到的位置。

B. npos 是一个常量，值为 -1。

C. 使用 std::string::find 返回 npos 表示查找失败。

D. npos 是一个无符号整数类型的值。

正确答案：B

解析：std::string::npos 的实际值是 std::size_t 的最大值（是一个非常大的无符号整数），而不是 -1。

2.以下代码的输出是什么？

char src1[] = "Hello";

char src2[] = "NJUST";

char dest[10];

strcpy(dest, src1);

strncpy(dest, src2, 3);

dest[8] = '\0';

cout << dest << endl;

A. NJUloB. NJUSTC. HelNJUloD. Hello

正确答案：A

解析：strcpy 会把字符串 "Hello" 完整地复制到 dest 中。此时 dest 的内容为：['H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0', ?, ?, ?, ?] （? 表示未定义内容）。

strncpy 会将 "NJUST" 的前 3 个字符复制到 dest 的前 3 个位置。strncpy 并不会自动在字符串的末尾添加空字符，除非拷贝的字符数等于或多于目标数组的空间。因此，在复制时，dest 变成了：['N', 'J', 'U', 'l', 'o', '\0', ?, ?, ?, ?]。strncpy 只复制了 3 个字符，即 "NJU"，并没有替换掉整个字符串 dest 的内容。

dest[8] = '\0';这一步手动将 \0 放置在 dest 的第 9 个位置（索引 8）。

然而，这个操作不会影响 cout 输出的内容，因为在字符串输出时，cout 会从第一个遇到的 \0 开始停止输出。所以，dest 的有效内容会到达第一个 \0，即 dest[5] 处的空字符。在经过上述操作后，dest 实际上变成了 "NJUlo"。由于 cout 会在遇到第一个空字符时停止输出，因此最终打印的内容是："NJUlo"。

策划 | 本科生学业指导中心

图文 | 朱霖、朱欣宇

编辑 | 樊佳鑫

初审 | 官子涵

复审 | 陈祚瑜

审核 | 尚文浩

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