第10讲：字符串

《计算机程序设计》

苏醒

计算机学院计算机研究所编译系统研究室

课前准备

在WSL Ubuntu中建立一个专门的目录用于课上练习，如~/course

$ mkdir ~/course

打开VSCode并连接到WSL，打开此目录并新建文件，如~/course/main.cpp
编辑main.cpp，随堂编程练习的代码请直接在此文件中编辑

main.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
using namespace std;

int main() {
  // ============= begin =============

  // =============  end  =============
  return 0;
}

温故

测一测

判断下列程序的输出

ptrquiz.cpp

#include <iostream>
int *trickme(int *p) {
  ++*(p++);
  return p;
}
int main() {
  int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
  int *p = arr, sum = 0;
  trickme(trickme(p));
  for (int i = 0; i < 5; ++i)
    sum += arr[i];
  std::cout << sum << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/ptrquiz code/ptrquiz.cpp
$ ./code/ptrquiz

敏感词检测

敏感词检测

在文字中检测给定的敏感词，分析其出现的位置与次数。

That was yet unnamed warship was built in a Dalian shipyyard next to where the Liaoning is berthed and began a final sea trial in the Bohai Sea on Sunday, heading out to the Yellow Sea. Its design is based on the Liaoning but with a number of modifications.

keyword.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>

int main() {
  char text[] = "That was ...", keyword[] = "Liaoning";
  int count = 0;
  char *positions[10];
  // ============= begin =============
  // 在text中找到keyword所有出现的位置，存放在positions数组中，并统计出现次数存放在count中
  // =============  end  =============
  std::cout << "count = " << count << std::endl;
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    std::cout << "positions[" << i << "] = " << positions[i] << std::endl;
  }
  return 0;
}

学习目标

学习内容
- 指针与数组
- 字符串
- 字符串函数

学习目标

通过数组与指针的互换性更加深刻地理解地址
掌握字符串、字符数组、字符指针的区别与联系
使用字符串函数解决实际问题

应用本节知识，解决敏感词分析问题！

一、指针与数组

指针与数组的本质（复习）

考考你

指针的本质是什么？数组名的本质又是什么？二者的区别在哪里？

指针与数组名的本质都是带类型的地址
二者的区别在于，指针是变量而数组名是常量

int a[10];
int *p = &a[0];
p += 1;    // 指针可以修改
// a += 1;  // 编译错误

明察秋毫

指针与数组具有很强的可操作性，在相当程度上具有互换性

1.1 数组作为指针

数组名可看作一个常量指针，支持指针的运算

arrayasptr.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
int main() {
  int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
  *arr = -1;         // 解引用操作符可以作用于数组名;
  std::cout << *arr << std::endl; // 输出-1
  int *p = arr;      // 数组可以直接赋值给指针，等价于p = &arr[0]
  int *q = arr + 1;  // 数组名可以与整数进行加减运算（以元素类型为单位），得到新的地址
  std::cout << std::boolalpha << (arr == p) << std::endl; // 数组名支持比较运算
  return 0;
}

1.2 指针作为数组

指针支持索引运算符[]，可看作一个数组的首地址

ptrasarray.cpp

#include <iostream>
#include <iomanip>
int main() {
  int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
  int *p = arr;      // 数组可以直接赋值给指针，等价于p = &arr[0]
  for (int i = 0; i < 5; i++)
    std::cout << p[i] << std::endl; // 输出数组元素
  return 0;
}

明察秋毫

通过索引运算符访问数组元素，等价于对指针进行偏移后解引用。即p[i]等价于*(p + i)

指针与数组小结

设指针p指向数组a的首元素，p + i等价于a + i，则有以下表达式等价

数组与指针的互换性
表达式	等价表达式	含义
`p = a`	`p = &a[0]`	指针`p`指向数组`a`首地址
`a[i]`	`*(p + i)`	数组`a`的第`i`个元素，亦即指针`p`之后的第`i`个元素
`*(a + i)`	`p[i]`	数组`a`的第`i`个元素，亦即指针`p`之后的第`i`个元素

指针与数组练习

测一测

已知p和a分别是一个int *指针与一个int数组，下列哪些表达式是合法的？

p = a
p = &a[0]
a = p
p = a+1
a = p+1
++p
a[1] = p[-1]

二、字符串

字符串字面量（复习）

字符串字面量是以双引号（"）括起来的字符序列，如"hello world"
特殊字符在字符串中需要转义，如\n表示换行符

strliteral.cpp

#include <iostream>

int main() {
  std::cout << "hello, world\n";
  return 0;
}

字符串的存储（复习）

字符串在内存中连续存储，每个字符占一个字节
字符串尾部以空字符\0作为结束标志，额外占一个字节

const char* hello = "Hello World!\n"; // 长度为13，在内存中占14个字节
const char* empty = "";               // 长度为0，在内存中占1个字节

C++字符串在内存中的存储方式

考考你

如果希望在程序中对字符串进行处理，应该将字符串存储在什么结构中？

2.1 字符数组

字符串需要连续存储，使用数组是最为最为自然的选择

chararray.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
  char s0[4] = {'a','b','c','d'}; // 使用初始化列表初始化字符数组
  char s1[4] = "ef";  // 使用字符串字面量初始化字符数组
  char s2[] = "ghi";  // 使用字符串字面量初始化字符数组，长度自动计算
  cout << sizeof(s2) << endl;
  cout << s0 << endl; // 对于一般类型的数组名（指针），输出的是地址
  cout << s1 << endl; // 但对于char数组(指针)，输出的是以该地址起始的字符串
  cout << s2 << endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/chararray code/chararray.cpp
$ ./code/chararray

4
abcdef
ef
ghi

考考你

为何s2的长度为4而不是3？
为何输出0的结果不是abcd？
s1[2]和s1[3]的值是什么？

2.2 字符数组的初始化

chararrayinit.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
void printCharArray(char s[], int n) {
  for (int i = 0; i < n; i++)
    cout << (s[i] ? s[i] : '#') << " ";
  cout << endl;
}
int main() {
  char s0[4] = {'a', 'b', 'c', 'd'};
  char s1[4] = {'a', 'b', 'c'};
  char s2[4] = "ef";
  char s3[] = "ghi";
  // char s4[4] = "jklm"; // 编译错误，试一试！
  printCharArray(s0, 4);
  printCharArray(s1, 4);
  printCharArray(s2, 4);
  printCharArray(s3, 4);
  return 0;
}

$ g++ -o code/chararrayinit code/chararrayinit.cpp
$ ./code/chararrayinit

a b c d 
a b c # 
e f # # 
g h i #

明察秋毫

字符数组初始化
- 使用字符串字面量，自动添加'\0'
- 使用初始化列表，不会自动添加'\0'

考考你

为什么s1采用初始化列表初始化，但尾部却添加了'\0'？

2.3 字符数组与字符串

字符数组通常用于保存字符串，但二者并不等价
- 字符数组不一定以空字符结尾
- 字符数组存储的字符串不一定用尽整个数组空间

chararray.cpp

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
  char s0[4] = {'a','b','c','d'}; // 使用初始化列表初始化字符数组
  char s1[4] = "ef";  // 使用字符串字面量初始化字符数组
  char s2[] = "ghi";  // 使用字符串字面量初始化字符数组，长度自动计算
  cout << sizeof(s2) << endl;
  cout << s0 << endl; // 对于一般类型的数组名（指针），输出的是地址
  cout << s1 << endl; // 但对于char数组(指针)，输出的是以该地址起始的字符串
  cout << s2 << endl;
  return 0;
}

2.4 字符指针

C/C++对字符指针有特殊的处理——使用字符指针表示字符串
- 例如，输入输出的特殊支持

strio.cpp

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
  char s[100];
  cin >> s;          // cin>>s修改s指向的内容而非s本身
  cout << s << endl; // cout<<s输出s指向的内容而非s本身
  int i[100];
  ///cin >> i;       // cin>>i试图修改i，然而i是常量，编译错误
  cout << i << endl; // cout<<i输出i的值，而非i指向的数组元素
  return 0;
}

$ g++ -o code/strio code/strio.cpp
$ echo 'Hello world!\n' | ./code/strio

Hello
0x7ffeab854eb0

字符串小结

字符串以空字符结尾
字符数组可以用于存储字符串
- 字符数组如果未包含空字符，那么不能构成字符串
字符指针用于指代一个字符串

字符串、字符数组与字符指针的关系

字符串练习

测一测

仅给出整形数组的首地址（数组名或指针），能否确定数组的长度？
仅给出字符串的首地址（字符数组或字符指针），能否确定字符串的长度？

三、字符串函数

C++字符串函数

C++标准库中提供了一组专门用于处理字符串的函数，这些函数声明在<cstring>头文件中

C++字符串函数
函数	功能
`strlen(str)`	计算字符串`str`的长度
`strcpy(dst, src)`	复制字符串`src`到字符串`dst`
`strcat(dst, src)`	追加字符串`src`到字符串`dst`尾部
`strcmp(str1, str2)`	按照字典序比较字符串`str1`与`str2`的大小
`strchr(str, ch)`	在字符串`str`中查找字符`ch`
`strstr(str, substr)`	在字符串`str`中查找子串`substr`

3.1 `strlen`求字符串长度

函数原型

size_t strlen(const char *str);

返回字符串str的长度，不包括结尾的空字符

strlen.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
using namespace std;
int main () {
   const char *s = "Hello world";
   cout << strlen(s) << endl;
   return 0;
}

$ g++ -o code/strlen code/strlen.cpp
$ ./code/strlen

考考你

你能否实现自己的strlen函数？

3.2 `strcpy`复制字符串

函数原型

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

将字符串src复制到字符串dest，返回dest
- dest与src不能指向同一块内存
- 对于strcpy，dest必须有足够的空间来保存src，否则会导致缓冲区溢出
- strncpy最多复制n个字符

strcpy.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
int main () {
  char a[10], b[10] = "hello sun", c[10];
  strcpy(a, b);
  strncpy(c, b, 5);
  std::cout << a << '\n' << b << '\n' << c << '\n';
  return 0;
}

$ g++ -o code/strcpy code/strcpy.cpp
$ ./code/strcpy

hello sun
hello sun
hello@

考考你

你输出的字符串c是否和我相同？结尾有什么问题？

3.3 `strcat`字符串拼接

函数原型

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

将字符串src追加到字符串dest尾部，返回dest
- dest必须有足够的空间来保存src，否则会导致缓冲区溢出
- strncat与strcat的区别在于，strncat最多复制n个字符

strcat.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
int main () {
  char a[10] = "hello", b[10] = "hello", c[10] = " sun";
  strcat(a, c);
  strncat(b, c, 3);
  std::cout << a << '\n' << b << '\n' << c << '\n';
  return 0;
}

$ g++ -o code/strcat code/strcat.cpp
$ ./code/strcat

hello sun
hello su
 sun

3.4 `strcmp`字符串比较

函数原型

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

按照字典序比较字符串str1与str2的大小
- 返回值为0，表示两个字符串相等
- 返回值大于0，表示str1大于str2
- 返回值小于0，表示str1小于str2

strcmp.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
int main() {
  char s1[10], s2[10];
  std::cin >> s1 >> s2;
  int result = strcmp(s1, s2);
  char relation = result < 0 ? '<' : result > 0 ? '>' : '=';
  std::cout << s1 << relation << s2 << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/strcmp code/strcmp.cpp
$ echo hello world | ./code/strcmp

hello<world

考考你

你能否实现自己的strcmp函数？

3.5 `strchr`字符查找

函数原型

char *strchr(const char *str, int ch);
char *strrchr(const char *str, int ch);

在字符串str中查找字符ch，返回第一次出现的位置
- 如果未找到，返回nullptr
- strchr从前往后查找，strrchr从后往前查找

strchr.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
int main() {
  char s[] = "hello world", c;
  std::cin >> c;
  char *first = strchr(s, c), *last = strrchr(s, c);
  if (first)
    std::cout << "first " << first - s << " last " << last - s << std::endl;
  else
    std::cout << "not found" << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/strchr code/strchr.cpp
$ echo l | ./code/strchr
$ echo x | ./code/strchr

first 2 last 9
not found

3.6 `strstr`字符串查找

函数原型

char *strstr(const char *str, const char *substr);

在字符串str中查找子串substr，返回第一次出现的位置
- 如果未找到，返回nullptr

strstr.cpp

#include <iostream>
#include <cstring>
int main() {
  char s[] = "hello world", subs[10];
  std::cin >> subs;
  char *first = strstr(s, subs);
  if (first)
    std::cout << "found at " << first - s << std::endl;
  else
    std::cout << "not found" << std::endl;
  return 0;
}

$ g++ -o code/strstr code/strstr.cpp
$ echo llo | ./code/strstr
$ echo sun | ./code/strstr

found at 2
not found

C++字符串函数小结

C++标准库中提供了一组专门用于处理字符串的函数，这些函数声明在<cstring>头文件中

C++字符串函数
函数	功能
`strlen(str)`	计算字符串`str`的长度
`strcpy(dst, src)`	复制字符串`src`到字符串`dst`
`strcat(dst, src)`	追加字符串`src`到字符串`dst`尾部
`strcmp(str1, str2)`	按照字典序比较字符串`str1`与`str2`的大小
`strchr(str, ch)`	在字符串`str`中查找字符`ch`
`strstr(str, substr)`	在字符串`str`中查找子串`substr`

字符串函数练习：敏感词检测

敏感词检测

在文字中检测给定的敏感词，分析其出现的位置与次数。

keyword.cpp

#include <cstring>
#include <iostream>
int main() {
  char text[] =
      "That was yet unnamed warship was built in a Dalian shipyyard next to "
      "where the *Liaoning* is berthed and began a final sea trial in the "
      "Bohai Sea on Sunday, heading out to the Yellow Sea. Its design is based "
      "on the *Liaoning* but with a number of modifications.";
  char keyword[] = "Liaoning";
  int count = 0;
  char *positions[10];
  // ============= begin =============
  // 在text中找到keyword所有出现的位置，存放在positions数组中，并统计出现次数存放在count中
  // =============  end  =============
  std::cout << "count = " << count << std::endl;
  for (int i = 0; i < count; i++) {
    std::cout << "positions[" << i << "] = " << positions[i] << std::endl;
  }
  return 0;
}

总结

本节内容

---
config:
  look: handDrawn
  themeVariables:
    fontSize: 20px
---
mindmap
字符串
  指针与数组
    数组作为指针
    指针作为数组
    指针与数组的互换性
  字符串
    字符数组
    字符串
    字符指针
  字符串函数
    strlen
    strcpy
    strcat
    strcmp
    strchr
    strstr

学习目标

通过数组与指针的互换性更加深刻地理解地址
掌握字符串、字符数组、字符指针的区别与联系
使用字符串函数解决实际问题

课后作业

实训（截止时间2025.04.02）
- C&C++指针实训
- 综合练习—C&C++字符串
预习
- 教材6.2：多维数组
- 教材7.7：动态内存分配

计算机程序设计

第10讲：字符串

课前准备

温故

敏感词检测

学习目标

一、指针与数组

指针与数组的本质（复习）

1.1 数组作为指针

1.2 指针作为数组

指针与数组小结

指针与数组练习

二、字符串

字符串字面量（复习）

字符串的存储（复习）

2.1 字符数组

2.2 字符数组的初始化

2.3 字符数组与字符串

2.4 字符指针

字符串小结

字符串练习

三、字符串函数

C++字符串函数

3.1 strlen求字符串长度

3.2 strcpy复制字符串

3.3 strcat字符串拼接

3.4 strcmp字符串比较

3.5 strchr字符查找

3.6 strstr字符串查找

C++字符串函数小结

字符串函数练习：敏感词检测

总结

本节内容

课后作业

3.1 `strlen`求字符串长度

3.2 `strcpy`复制字符串

3.3 `strcat`字符串拼接

3.4 `strcmp`字符串比较

3.5 `strchr`字符查找

3.6 `strstr`字符串查找