C语言核心库函数详解：字符、字符串与内存操作

在 C 语言编程中，字符、字符串及内存的处理是日常开发的基础操作。为了提高开发效率，C 语言标准库提供了一系列实用函数。本文将系统梳理字符函数、字符串函数和内存函数的核心知识点，包括功能说明、使用技巧、注意事项及模拟实现，帮助大家深入理解并灵活运用这些工具。

 

一、字符函数：分类与转换

字符函数主要用于字符的分类判断和大小写转换，均需包含头文件 <ctype.h>。

1.1 字符分类函数

这类函数用于判断字符的类型，返回值为非 0（真）或 0（假）。常见函数及功能如下：

函数	功能描述
iscntrl	判断是否为控制字符（如换行符\n、制表符\t）
isspace	判断是否为空白字符（空格、换页\f、换行\n、回车\r、制表符\t等）
isdigit	判断是否为十进制数字（0~9）
isxdigit	判断是否为十六进制数字（0~9、a~f、A~F）
islower	判断是否为小写字母（a~z）
isupper	判断是否为大写字母（A~Z）
isalpha	判断是否为字母（a~z 或 A~Z）
isalnum	判断是否为字母或数字
ispunct	判断是否为标点符号（可打印且非字母 / 数字）
isprint	判断是否为可打印字符（含图形字符和空白字符）

 示例：使用islower判断小写字母并转换为大写：

int main() 
{
    char str[] = "Test String.\n";
    int i = 0;
    while (str[i]) 
    {
        char c = str[i];
        if (islower(c)) 
        {
            c = toupper(c); //转换为大写
        }
        putchar(c);
        i++;
    }
    //输出：TEST STRING.
    return 0;
}

1.2 字符转换函数

• tolower(int c)：将大写字母转换为小写（非大写字母返回原值）。
• toupper(int c)：将小写字母转换为大写（非小写字母返回原值）。

注意：转换仅针对字母，其他字符不处理。

二、字符串函数：操作与处理

字符串函数用于字符串的长度计算、复制、追加、比较等操作，需包含头文件 <string.h>。

2.1 字符串长度：strlen

功能：计算字符串中\0之前的字符个数（不包含\0）。
原型：size_t strlen(const char *str);
注意：

• 字符串必须以\0结尾，否则结果不确定。
• 返回值为size_t（无符号整数），可能导致逻辑错误（如strlen("a") - strlen("abc")为正数）。

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    const char* str1 = "abcdef";
    const char* str2 = "bbb";
    //注意：strlen(str2)=3，strlen(str1)=6，3-6=-3，但size_t类型下为正数
    if (strlen(str2) - strlen(str1) > 0) 
    {
        printf("str2 > str1\n"); //实际输出此句
    } 
    else 
    {
        printf("str1 > str2\n");
    }
    return 0;
}

模拟实现：

• 计数器方式：

int my_strlen(const char* str) 
{
    int count = 0;
    assert(str != NULL); //确保指针有效
    while (*str++) 
    {
        count++;
    }
    return count;
}

• 递归方式（无临时变量）：

int my_strlen(const char* str) 
{
    assert(str);
    return *str == '\0' ? 0 : 1 + my_strlen(str + 1);
}

• 指针 - 指针方式：

int my_strlen(const char* str) 
{
    assert(str);
    const char* p = str;
    while (*p) 
        p++;
    return p - str;
}

2.2 字符串复制：strcpy 与 strncpy

strcpy

功能：将源字符串（含\0）复制到目标空间。
原型：char* strcpy(char* destination, const char* source);
注意：

• 源字符串必须以\0结尾。
• 目标空间需足够大且可修改（不可为常量字符串）。

模拟实现：

char* my_strcpy(char* dest, const char* src) 
{
    assert(dest && src);
    char* ret = dest; //保存目标地址
    while ((*dest++ = *src++)); //复制直到'\0'
    return ret;
}

strncpy

功能：复制源字符串的前num个字符到目标空间。
原型：char* strncpy(char* destination, const char* source, size_t num);
注意：

• 若源字符串长度小于num，剩余部分用\0填充。
• 可能不自动添加\0（若num超过源字符串长度）。

示例：

char dest[10];
strncpy(dest, "abc", 5); //复制"abc"后补2个'\0'，dest为"abc\0\0"

 模拟实现：

char* my_strncpy(char* dest, const char* src, int n)
{
	assert(dest != NULL);
	assert(src != NULL);
	char* ret = dest;
	int i = 0;
	//复制前n个字符或直到源字符串结束
	while (i < n && (*dest++ = *src++))
	{
		i++;
	}
	//如果源字符串长度不足n，补零直到n个字符
	while (i < n)
	{
		*dest++ = '\0';
		i++;
	}
	return ret;
}

2.3 字符串追加：strcat 与 strncat

strcat

功能：将源字符串追加到目标字符串后（覆盖目标的\0，并添加新\0）。
原型：char* strcat(char* destination, const char* source);
注意：

• 目标字符串需以\0结尾（确定追加位置）。
• 目标空间需足够大，且源字符串以\0结尾。

模拟实现：

char* my_strcat(char* dest, const char* src) 
{
    assert(dest && src);
    char* ret = dest;
    //找到目标字符串的'\0'
    while (*dest) 
        dest++;
    //追加源字符串
    while ((*dest++ = *src++));
    return ret;
}

strncat

功能：追加源字符串的前num个字符到目标字符串，自动添加\0。
原型：char* strncat(char* destination, const char* source, size_t num);

示例：

char dest[20] = "Hello";
strncat(dest, "World123", 3); //追加" Wor"（前3字符），自动补'\0'
//dest结果："HelloWor\0..."

 模拟实现：

char* my_strncat(char* dest, const char* src, int n)
{
	assert(dest && src);
	char* ret = dest;	//记录目标空间的起始地址
	//找到目标地址
	while (*dest != '\0')
	{
		dest++;
	}
	int i = 0;
	while (i < n && (*dest++ = *src++))
	{
		i++;
	}
	//手动添加字符串终止符
	*dest = '\0';
	return ret;	

}

2.4 字符串比较：strcmp 与 strncmp

strcmp

功能：比较两个字符串对应位置字符的 ASCII 码，直到不同或遇\0。
原型：int strcmp(const char* str1, const char* str2);
返回值：

• 正数：str1 > str2（首个不同字符 ASCII 值大）。
• 0：str1 == str2。
• 负数：str1 < str2。

模拟实现：

int my_strcmp(const char* str1, const char* str2) 
{
    assert(str1 && str2);
    while (*str1 == *str2) 
    {
        if (*str1 == '\0') 
            return 0; //都到'\0'，相等
        str1++;
        str2++;
    }
    return *str1 - *str2; //返回差值
}

strncmp

功能：比较前num个字符，规则同strcmp。
原型：int strncmp(const char* str1, const char* str2, size_t num);

示例：

char str1[] = "abcd";
char str2[] = "abce";
int ret1 = strncmp(str1, str2, 3); //前3字符相同，返回0
int ret2 = strncmp(str1, str2, 4); //第4字符'd'<'e'，返回负数

模拟实现： 

int my_strncmp(const char* str1, const char* str2, size_t num) 
{
    assert(str1 && str2);
    while (num-- && *str1 && *str2 && *str1 == *str2) 
    {
        str1++;
        str2++;
    }
    return *str1 - *str2;
}

2.5 字符串查找：strstr

功能：查找str2在str1中首次出现的位置（不包含\0）。
原型：char* strstr(const char* str1, const char* str2);
返回值：找到返回起始地址，否则返回NULL。

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    char str[] = "This is a simple string";
    char* pch = strstr(str, "simple");
    if (pch) 
    {
        strncpy(pch, "sample", 6); //替换为"sample"
        printf("%s\n", str); //输出：This is a sample string
    }
    return 0;
}

模拟实现： 

char* my_strstr(const char* str1, const char* str2) 
{
    assert(str1 && str2);
    if (*str2 == '\0') 
        return (char*)str1; //空字符串返回str1
    const char* cp = str1;
    while (*cp) 
    {
        const char* s1 = cp;
        const char* s2 = str2;
        //匹配子串
        while (*s1 && *s2 && *s1 == *s2) 
        {
            s1++;
            s2++;
        }
        if (*s2 == '\0') 
            return (char*)cp; //找到匹配
        cp++;
    }
    return NULL; //未找到
}

2.6 字符串分割：strtok

功能：按分隔符分割字符串（会修改原字符串）。
原型：char* strtok(char* str, const char* sep);
使用规则：

• 首次调用：str为待分割字符串，返回第一个标记的地址。
• 后续调用：str为NULL，从上次结束位置继续查找下一个标记。
• 无更多标记时返回NULL。

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main() 
{
    char arr[] = "192.168.6.111";
    char* sep = ".";
    char* str = strtok(arr, sep); //首次调用，分割"192"
    while (str != NULL) 
    {
        printf("%s\n", str);
        str = strtok(NULL, sep); //后续调用，继续分割
    }
    //输出：192\n168\n6\n111
    return 0;
}

2.7 错误信息：strerror 与 perror

strerror

功能：返回错误码对应的错误信息字符串。
原型：char* strerror(int errnum);
配合errno使用：errno是全局变量，记录最近的错误码（需包含<errno.h>）。

示例：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main() 
{
    FILE* pFile = fopen("unexist.txt", "r");
    if (pFile == NULL) 
    {
        printf("Error: %s\n", strerror(errno)); //输出：No such file or directory
    }
    return 0;
}

perror

功能：直接打印错误信息（等价于printf("%s: %s\n", msg, strerror(errno))）。
原型：void perror(const char* msg);
示例：

perror("Error opening file"); //输出：Error opening file: No such file or directory

 

三、内存函数：直接操作内存

内存函数以字节为单位操作内存，支持任意类型数据，需包含 <string.h>。

3.1 内存复制：memcpy

功能：复制num字节从源内存到目标内存（不处理重叠内存）。
原型：void* memcpy(void* destination, const void* source, size_t num);

示例：

int arr1[] = {1,2,3,4,5};
int arr2[5] = {0};
memcpy(arr2, arr1, 20); //复制5个int（20字节），arr2变为{1,2,3,4,5}

模拟实现：

void* my_memcpy(void* dst, const void* src, size_t num) 
{
    assert(dst && src);
    void* ret = dst;
    //按字节复制
    while (num--) 
    {
        *(char*)dst = *(char*)src;
        dst = (char*)dst + 1;
        src = (char*)src + 1;
    }
    return ret;
}

3.2 内存复制（支持重叠）：memmove

功能：与memcpy类似，但可处理源和目标内存重叠的情况。
原型：void* memmove(void* destination, const void* source, size_t num);

示例：

int arr[] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};
memmove(arr+2, arr, 20); //复制前5个int到arr[2]开始的位置，结果：1,2,1,2,3,4,5,8,9,10

模拟实现（分情况复制）：

void* my_memmove(void* dst, const void* src, size_t num) 
{
    assert(dst && src);
    void* ret = dst;
    if (dst < src || (char*)dst >= (char*)src + num) 
    {
        //无重叠或目标在源之后，正向复制
        while (num--) 
        {
            *(char*)dst = *(char*)src;
            dst = (char*)dst + 1;
            src = (char*)src + 1;
        }
    } 
    else 
    {
        //目标在源中间（重叠），反向复制
		while (num--)
		{
			*((char*)dest + num) = *((char*)src + num);
		}
    }
    return ret;
}

3.3 内存设置：memset

功能：将num字节内存设置为value（以字节为单位）。
原型：void* memset(void* ptr, int value, size_t num);

示例：

char str[] = "hello world";
memset(str, 'x', 6); //设置前6字节为'x'，结果：xxxxxxworld

3.4 内存比较：memcmp

功能：比较num字节从两个内存地址开始的内容。
原型：int memcmp(const void* ptr1, const void* ptr2, size_t num);
返回值：同strcmp（正数 / 0 / 负数表示大于 / 等于 / 小于）。

示例：

int a[] = {1,2,3};
int b[] = {1,2,4};
if (memcmp(a, b, 8) < 0) 
{ //比较前8字节（前2个int），1,2 vs 1,2 → 相等
    printf("a < b\n");
} 
else 
{
    printf("a >= b\n");
}

 

总结

本文梳理了 C 语言中字符、字符串和内存操作的核心库函数，包括功能、使用细节、注意事项及部分函数的模拟实现。这些函数是 C 语言开发的基础工具，掌握它们能大幅提高处理字符、字符串和内存的效率。实际编程中，需注意函数的参数要求（如字符串需以\0结尾）、返回值特性（如size_t的无符号性）及内存重叠等特殊情况，避免常见错误。