前言🌸

在我们编写C程序时，除了使用自定义函数，往往还会使用一些库函数，例如标准输入输出函数printf，scanf，字符串函数strlen，内存函数memset等等，使用这些系统自带的库函数可以轻松地帮我们实现预期的功能，大大提升我们编程的效率。

1.本期我们将介绍库里面一些常见的字符串函数以及内存函数。
2.本期的目标时在学会使用这些库函数的同时了解其内部原理，并学会模拟实现相应的函数。

温馨提示：可以使用目录跳转到对应函数

2. 字符串函数🌊

C语言中对字符和字符串的处理很是频繁，但是 C语言本身是没有字符串类型的，字符串通常放在
常量字符串或者字符数组中。
字符串常量适用于那些对它不做修改的字符串函数.
与字符串有关的函数放在 string.h头文件中，使用前要包含对应头文件。

2.1 strlen

2.1.1 基本使用

strlen想必我们都已经很熟悉了，作用是统计字符串的长度，函数原型及说明如下：

字符串以'\0'作为结束标志，strlen返回的是字符串在'\0'前面出现字符的个数(不包含'\0')

参数指向的字符串必须以'\0'结束，否则最后的值为随机值

strlen的返回值是size_t类型，是无符号整形，这也是最容易忽略的地方。

我们可以这样使用它：

#include<string.h>
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    printf("%d", strlen(arr1));//求arr1数组中字符串的长度
}

程序输出11，说明其不会统计'\0'，遇到'\0'结束统计：

2.1.2 模拟实现

法一：创建一个临时变量作为计数器

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
int my_strlen(const char* str)
{
    assert(str);//保证传入的指针不为空
    int count = 0;//计数器
    while (*str++ != '\0')//统计字符，不统计'\0'
    {
        count++;
    }
    return count;
}
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    printf("%d", my_strlen(arr1));
}

法二：使用递归的方式

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
int my_strlen(const char* str)
{
    assert(str);//保证传入的指针不为空
    if (*str == '\0')//递归终点
    {
        return 0;
    }
    else
    {
        return 1 + my_strlen(str+1);
    }
}
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    printf("%d", my_strlen(arr1));
}

法三：采用指针-指针的方式，两个指针相减得到的结果即为中间的元素个数。

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
int my_strlen(const char* str)
{
    assert(str);//保证传入的指针不为空
    const char* p = str;
    //将p指向字符串末尾的'\0'
    while (*++p)
    {
        ;
    }
    return p - str;//差值即为元素个数
}
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    printf("%d", my_strlen(arr1));
}

三种方法运行结果都如下：

2.2 strcpy

2.2.1 基本使用

顾名思义，strcpy的作用就是拷贝字符串，它的函数原型及说明如下：

源字符串必须以 '\0' 结束。

对源字符串加上const修饰避免被意外修改

函数会将源字符串中的 '\0' 拷贝到目标空间。

目标空间必须足够大，以确保能存放源字符串，这是程序员所需要注意的。

目标空间必须可变

因此我们可以这样使用它：

#include<string.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    char arr2[20] = { 0 };
    printf("%s", strcpy(arr2, arr1));//由于返回的是拷贝后数组的首元素地址，因此可以进行随机访问
}

2.2.2 模拟实现

我们可以通过指针将每个字符逐一拷贝到目标数组 ('\0'也要拷贝)，代码即效果如下：

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
char* my_strcpy(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src); //断言，保证代码健壮性
    char* ret = dest; //保存起始地址，用于返回
    //将src的字符逐个拷贝到dest中，包括'\0'
    while (*dest++ = *src++)
    {
        ;
    }
    return ret;
}
int main()
{
    char arr1[] = "hello world";
    char arr2[20] = { 0 };
    printf("%s", my_strcpy(arr2, arr1)); //返回拷贝后的数组，支持链式访问
}

2.3 strcat

2.3.1 基本使用

strcat的作用是追加字符串，将一个字符串追加到令一个字符串的末尾，函数原型及说明如下：

源字符串必须以 '\0' 结束。否则我们不知道什么时候追加结束

目标字符串也必须以'\0'结束，否则我们不知道什么时候开始追加

目标空间必须有足够的大，能容纳下源字符串的内容。

不能自己追加自己。这是由于开始追加会将目标空间末尾的'\0'覆盖，如果自己追加自己，相当于源字符串末尾的'\0'被覆盖了，从而失去了停止的标志，会陷入死循环。

因此我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    printf("%s", strcat(str1, str2));
    return 0;
}

2.3.2 模拟实现

我们可以先找到目标字符串的末尾，然后从此处开始将源字符串的字符拷贝到目标字符串中。代码如下：

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
//模拟实现strcat
char* my_strcat(char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src);//断言，保证代码健壮性
    char* ret = dest;//保存起始地址，用于返回
    //找到dest的末尾
    while (*dest)
    {
        dest++;
    }
    //进行追加拷贝
    while (*dest++ = *src++)
    {
        ;
    }
    return ret;
}
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    printf("%s", my_strcat(str1, str2));
    return 0;
}

2.4 strcmp

2.4.1 基本使用

strcmp的作用是字符串比较，将两个字符串的字符逐一进行比较，其函数原型及说明如下：

由于传入的两个字符串只参与比较，因此加上const修饰符防止被意外修改

strcmp返回值为int类型。当str1<str2，返回小于0的数；当str1>str2，返回大于0的数；当str1=str2，返回0。

注意，这里的两个字符串的比较并不是比较两个字符串的长度，而是比较每个字符的ASCII码值。

因此我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    char str3[20] = "bcdabc";
    char str4[] = "bcdabc";
    if (strcmp(str1,str2)==0)
    {
        printf("str1 == str2");
    }
    else if(strcmp(str1, str2) > 0)
    {
        printf("str1 > str2");
    }
    else
    {
        printf("str1 < str2\n");
    }
    if (strcmp(str3, str4) == 0)
    {
        printf("str3 == str4");
    }
    return 0;
}

2.4.2 模拟实现

很简单，我们只需逐一比较每个字符的ASCII码值大小，如果相同则继续比较下一个字符，直到遇到'\0'即可。实现代码如下：

#include<stdio.h>
#include<assert.h>
//模拟实现strcmp
int my_strcmp(const char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src);
    while (*dest == *src)//当前字符相等
    {
        if (*dest == '\0')
        {
            //全部字符都相等，两个字符串相等
            return 0;
        }
        //指向下一字符
        dest++;
        src++;
    }
    //不相等，返回ASCII码差值
    return *dest - *src;
}

2.5 strncpy

2.5.1 基本使用

strncpy的作用也是拷贝字符串。strncpy与strcpy不同的是，它是受指定长度限制的函数，即我们可以指定需要拷贝多少个字符，它的函数原型如下：

与strcpy相比，参数只多了一个num，num代表要拷贝的字符数。从源字符串拷贝num个字符到目标空间

如果num少于源字符的个数，其拷贝后不会在目标的后面加上'\0'。

如果num超过源字符个数，则拷贝完源字符串之后，会在目标的后边追加'\0'，直到总共拷贝num个。

以上两点简单来说就是：strncpy我们指定拷贝多少个其就会拷贝多少个，不会凭空增加也不会凭空消失。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    char str3[20] = "hello ";
    char str4[] = "world";
    printf("%s\n", strncpy(str1, str2,6));//拷贝6个字符包括\0，因此会打印world
    printf("%s", strncpy(str3, str4, 3));//拷贝3个字符不包括\0，因此会打印worlo

2.6 strncat

2.6.1 基本使用

strncat的作用也是追加字符串。同样的，和strcat不同的是，它是也是受指定长度限制的函数，即我们可以指定需要追加多少个字符，它的函数原型如下：

与strncpy类似，num代表需要追加的字符数。从源字符串拷贝num个字符到目标空间

如果num少于源字符个数，其追加后还会在目标空间的后面加上'\0'

如果num大于源字符串的长度，超过的部分不会像strncpy一样用'\0'填充，而是直接停止。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    printf("%s\n", strncat(str1, str2,5));//将5个字符拷贝过去，并在后面补上'\0'
    return 0;
}

2.7 strncmp

2.7.1 基本使用

相同道理，strncmp也是受指定长度限制的函数，它的功能为字符串比较。我们可以指定需要比较多少个字符，它的函数原型如下：

同理，num代表需要比较的字符数。比较到出现某个字符不一样或者一个字符串结束或者num个字符全部比较完。

返回值与strcmp一样，大于返回大于0的数，小于返回小于0的数，相等返回0。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "world";
    char str3[20] = "bcdabc";
    char str4[] = "bc";
    if (strncmp(str1, str2, 2) != 0)//比较前两个字符，he与wo
    {
        printf("str1和str2前两个字符不相等\n");
    }
    if (strncmp(str3, str4, 2) == 0)//比较前两个字符，bc与bc
    {
        printf("str3和str4前两个字符相等\n");
    }
    return 0;
}

2.8 strstr

2.8.1 基本使用

这个函数可能会有人感到陌生，它的作用是在一个字符串中查找是否存在另一个字符串，它的函数原型如下：

本函数从str1中查找是否存在和str2匹配的子串，如果存在，则返回第一次匹配成功的字符串首地址

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "el";
    char str3[20] = "bcdabc";
    char str4[] = "ad";
    printf("%s\n", strstr(str1, str2));//由于str1中存在字串与str2一致，因此返回第一次匹配成功的字符串地址
    printf("%s\n", strstr(str3, str4));//由于str3中不存在字串与str4一致，返回NULL
    return 0;
}

2.8.2 模拟实现

法一:暴力查找。通过遍历查找str1中与str2[0]相等的字符，找到后就向后进行匹配，如果匹配成功则返回对应地址，如果匹配失败则继续向后查找下一个与str2[0]相等的字符，循环直到匹配成功或者数组遍历完毕。动态效果及代码如下：

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
//模拟实现strstr，暴力法
char* my_strstr(const char* dest, const char* src)
{
    assert(dest && src);
    char* p1 = NULL;
    char* p2 = NULL;
    char* cp = (char*)dest;
    while (*cp)
    {
        p1 = cp;
        p2 = (char*)src;
        //开始匹配
        while (*p1 && *p2 && *p1 == *p2)
        {
            p1++;
            p2++;
        }
        //全部字符匹配成功
        if (*p2 == '\0')
        {
            return cp;
        }
        //匹配失败，继续向后遍历查找
        cp++;
    }
    return NULL;//找不到返回空
}

法二：KMP算法。这是一种字符串匹配算法，后续会专门用一篇博客写KMP算法的思想与实现，这里就直接上代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
int* get_next(const char*src)
{
    assert(src && *src);
    int sl = strlen(src);
    int* next=(int*)malloc((sl+1) * sizeof(int));
    //赋初值，第一个字符的最长公共前后缀为0
    next[1] = 0;
    next[0] = -1;
    //开始遍历,对next[j]赋值，j表示第j位字符
    int i = 0;
    int j = 2;
    while (j <= sl)
    {
        if (i == -1||src[i] == src[j-1]) 
        {
            next[j] = i + 1; //最长公共前后缀
            i++;
            j++;
        }
        else  //不相等，通过next回溯i
        {
            i = next[i];
        }
    }
    return next;
}
char* my_strstr_KMP(const char* dest, const char* src)
{
    int* next=get_next(src);
    int i = 0;
    int j = 0;
    while (dest[i])
    {
        if (j == -1 || dest[i] == src[j])
        {
            i++;
            j++;
        }
        else if (!src[j]) //遍历完毕，返回起始的地址
        {
            return &dest[i - j];
        }
        else  //通过next回溯j
        {
            j = next[j];
        }

    }
    return NULL;
}
int main()
{
    char str1[20] = "hello ";
    char str2[] = "el";
    char str3[20] = "bcdabc";
    char str4[] = "ad";
    printf("%s\n",my_strstr_KMP(str1,str2));
    printf("%s", my_strstr_KMP(str3, str4));
    return 0;
}

2.9 strtok

2.9.1 基本使用

这个函数的作用按照指定的分隔符来分隔字符串，返回分隔后的字符串，其函数原型及说明如下：

sep参数是个字符串，定义了用作分隔符的字符集合

第一个参数指定一个字符串，它包含了0个或者多个由sep字符串中的一个或者多个分隔符分割的标记。

strtok函数会找到str中的下一个标记，并将其用 \0 结尾，返回一个指向这个标记的指针。（注：strtok函数会改变被操作的字符串，所以在使用strtok函数切分的字符串一般都是临时拷贝的内容并且可修改，即不能是常量字符串）

strtok函数的第一个参数不为 NULL 时，函数将找到str中第一个标记，strtok函数将保存它在字符串中的位置。

strtok函数的第一个参数为 NULL ，函数将在同一个字符串中被保存的位置开始，查找下一个标记。

如果字符串中不存在更多的标记，则返回 NULL 指针。

根据strtok的特性，我们可以这样使用它：

#include<string.h>
int main()
{
    //分隔一个ip地址
    char str1[20] = "192.168.1.123";//源字符串
    char str2[20] = { 0 };
    char* del = ".";//分隔符
    strcpy(str2, str1);//由于strtok会修改源字符串，因此拷贝一份来操作
    //开始分隔，当返回NULL时结束
    for (char* s = strtok(str2, del); s != NULL; s=strtok(NULL, del))
    {
        printf("%s\n", s);
    }
    return 0;
}

2.10 strerror

2.10.1 基本使用

这个函数的作用是返回一个错误码所对应的错误信息，其函数原型与说明如下：

什么是错误码？

1.错误码是一组数字，它与系统的错误讯息建立关联，每一个错误码都对应着一个错误信息。
2.C语言在库函数调用失败时，会将错误码放在一个叫 errno的变量中，没有错误则置为0。errno变量在errno.h头文件中。

因此，我们可以使用strerror根据errno的值来获取错误信息，也可以将其打印出来，如下：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>//必须包含的头文件
int main()
{
    FILE* pFile;
    pFile = fopen("unexist.ent", "r");//以r的方式打开一个不存在的文件
    if (pFile == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));//显示错误信息
    }
    return 0;
}

2.11 其他

除以上字符串函数之外，在C语言的 ctype.h 头文件中还有一些十分好用的字符函数

2.11.1 字符分类函数

函数	如果参数符合下列条件就返回真，否则返回假
iscntrl()	任何控制字符
isspace()	空白字符：空格‘ ’，换页‘\f’，换行'\n'，回车‘\r’，制表符'\t'或者垂直制表符'\v'
isdigit()	十进制数字 0~9字符
isxdigit()	十六进制数字，包括所有十进制数字，小写字母a~f，大写字母A~F
islower()	小写字母a~z
isupper()	大写字母A~Z
isalpha()	字母a~z或A~Z
isalnum()	字母或者数字，a~z,A~Z,0~9
ispunct()	标点符号，任何不属于数字或者字母的图形字符（可打印）
isgraph()	任何图形字符
isprint()	任何可打印字符，包括图形字符和空白字符

2.11.2 字符转换函数

int tolower ( int c );//将大写字母转换为小写字母

int toupper ( int c );//将小写字母转换为大写字母

2.11.3 示例

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<ctype.h>
int main()
{
    //字符转换函数
    int i = 0;
    char str[] = "Hello WorLd";
    //将str的大写字符转换为小写字符
    while (str[i])
    {
        if (isupper(str[i]))//是大写字符
        {
            str[i] = tolower(str[i]);//转换为小写
        }
        i++;
    }
    printf("%s", str);
    return 0;
}

3. 内存函数🌟

以上我们介绍的函数都是用来操作字符串或者字符数组的。而当我们需要操作整形数组，操作结构体数组时，以上函数就失效了，那怎么办呢？下面就要请到我们的内存操作函数了，内存操作函数都定义在 stdlib.h头文件中。

3.1 memcpy

3.1.1 基本使用

memcpy的作用是以字节为单位拷贝内存块，其函数原型及说明如下：

参数的指针用void*来接收是由于设计者并不知道用户将来会传入什么类型的数据

函数memcpy从source的位置开始向后复制num个字节的数据到destination的内存位置。

这个函数在遇到 '\0' 的时候并不会停下来。

如果source和destination有任何的重叠，复制的结果都是未定义的，这是由于内存重叠时进行拷贝可能会覆盖尚未拷贝的数据。在不同的编译器下，发生的效果可能会意想不到。如果真的需要拷贝，请使用memmove()函数。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int arr1[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int arr2[10] = { 0 };
    memcpy(arr2, arr1,40);//从arr1拷贝40个字节到arr2
    //my_memmove(arr1, arr1+4, 16);
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr2[i]);//打印出arr2元素
    }
    return 0;
}

3.1.2 模拟实现

很简单，由于 char*类型的指针每次解引用访问一个字节，我们只需将传入的指针强转为char*指针，然后依次解引用拷贝num个字节到目标数组即可。代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
void* my_memcpy(void* dest, void* src, size_t num)
{
    assert(dest && src);//保证传入的指针不为空
    void* ret = dest;//用于返回
    while (num--)//拷贝num个字节
    {
        //利用char*指针的特性逐一进行拷贝
        *(char*)dest = *(char*)src;
        dest = (char*)dest + 1;
        src = (char*)src + 1;
    }
    return dest;
}

3.2 memmove

3.2.1 基本使用

memmove的作用是以字节为单位移动内存块的数据到目标空间。听起来与memcpy没有什么差别，但是memmove对内存块重叠的情况进行了特殊处理，使其可以正确进行拷贝。其函数原型及说明如下：

和memcpy的差别就是memmove函数处理的源内存块和目标内存块是可以重叠的。

如果源空间和目标空间出现重叠，就得使用memmove函数处理。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
int main()
{
    int arr1[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int arr2[10] = { 0 };
    memmove(arr2, arr1, 40);//内存块不重叠
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr2[i]);//打印出arr2元素
    }
    memmove(arr1+2, arr1, 16);//内存块重叠，将1，2，3，4移动到arr+2处
    printf("\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr1[i]);//打印出arr1元素
    }
    return 0;
}

我们可以看到无论内存块有没有重叠，都能正确的拷贝：

3.2.2 模拟实现

分为以下三种情况：

内存块不重叠

这种情况最好办，就是一般情况，无论从前开始移动还是从后开始移动都不影响结果。

内存块重叠且dest在src后

这种情况我们就不能从前面开始进行移动了，而是要从后面开始移动，我们通过动图来解释:

内存块重叠且dest在src前

而对于这种情况，我们从后面开始移动就失效了，又需要从前面开始移动，动图如下：

总结

我们需要针对不同的情况选择从前开始移动还是从后开始移动。其实我们只要先记住先从重叠的部分开始移动即可。

实现的代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
void* my_memmove(void* dest, void* src, size_t num)
{
    assert(dest && src);//保证传入指针不为空
    void* ret = dest;//用于返回
    //dest<src,如果重叠，则重叠部分在src前面，从前开始移动
    if (dest < src)
    {
        while (num--)
        {
            *(char*)dest = *(char*)src;
            dest = (char*)dest + 1;
            src = (char*)src + 1;
        }
    }
    else//dest>=src，如果重叠，则重叠部分在src后面，从后开始移动。
    {
        while (num--)
        {
            *((char*)dest + num) = *((char*)src + num);
        }
    }
    return ret;
}

int main()
{
    int arr1[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
    int arr2[10] = { 0 };
    my_memmove(arr2, arr1, 40);//内存块不重叠
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr2[i]);//打印出arr2元素
    }
    memmove(arr1+2, arr1, 16);//内存块重叠，将1，2，3，4移动到arr+2处
    printf("\n");
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr1[i]);//打印出arr1元素
    }
    return 0;
}

3.3 memcmp

3.3.1 基本使用

memcmp函数的作用是以字节为单位对内存空间中的数据进行比较，其函数原型及说明如下：

其比较从ptr1和ptr2指针开始的num个字节

它的返回值如下：

我们可以这么使用它：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<assert.h>
int main()
{
    int arr1[] = { 1,2,3,4 };
    int arr2[] = { 1,2,4,4 };
    int n;
    n = memcmp(arr1, arr2, sizeof(arr1));//比较16个字节
    if (n > 0)
    {
        printf("arr1 is greater than arr2.\n");
    }
    else if (n < 0)
    {
        printf("arr1 is less than arr2.\n");
    }
    else
    {
        printf("arr1 is the same as arr2.\n");
    }
    return 0;
}

3.4 memset

3.4.1 基本使用

memset函数的作用是以字节为单位设置内存数据，通常用于初始化。其函数原型及说明如下：

我们可以使用它对一段连续的内存空间初始化，通常置为0

使用时需注意是以字节为单位进行设置内存，设置出来每个字节的值是相同的，因此在设置高字节数据具有局限性，例如整形。

由于一个字符只占一个字节，因此memset也可以给字符数组进行赋值。

我们可以这样使用它：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int arr[10];
    char str[] = "abcd";
    memset(arr, 0, sizeof(arr));//将整形数组初始化为0
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    memset(str, 'x', 2);//将str前两个字符设置为x
    printf("\n%s", str);
    return 0;
}