C 语言的字符串

2015-09-16 Wednesday linux , program

简单介绍下 C 语言中与字符串操作相关的函数。

简介

C 语言中通过双引号表示字符串，与字符串操作相关的函数可以通过 man 3 string 查看帮助文档。

#include <stdio.h>

int main(void)
{
	char *ptr = "Hello world";
	puts(ptr);
	return 0;
}

可以理解为，双引号做了 3 件事：

在只读常量区申请空间存放了字符串；
在字符串尾添加了 '\0'；
返回字符串开始地址。

注意，可以把字符串赋值给字符指针 char *ptr，而不能把字符串赋值给一个字符数组。

char a[10] = "hello"; // 支持初始化方式
a = "hello";          // 此时错误

"hello" 返回的是一个地址，而 a 虽然也有地址，但是这与指针是不一样的，指针的值是地址，而数组的值虽然也是地址，但是却是一个常量，所以不能给常量赋值；此时需要通过 strncpy() 复制。

另外，数组会分配存储空间，而 char * 实际上只是一个指针，当尝试复制到只读数据区时，那么此时就会导致 "Segmentation fault" 。

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

int main(void)
{
	// 如下代码会出现"Segmentation fault"
	//char *ptr = "Hello world";
	//memcpy(ptr, "Hi foobar", strlen(ptr));

	char ptr[] = "Hello world";

	memcpy(ptr, "Hey foobar!!!!!!!", sizeof(ptr));
	ptr[sizeof(ptr)-1] = '\0';
	puts(ptr);

	return 0;
}

检查宏

对于字符串操作，在 gcc 中，可以通过 #define _FORTIFY_SOURCE 2 宏定义，对一些常见内存以及字符串处理函数 (memcpy strcpy 等) 的安全检查，详细可以查看 man 7 feature_test_macros 。

下面以字符串拼接函数为例。

#inclue <string.h>
char * strncat(char *dest, const char *src, size_t n);

将 src 中开始的 n 个字符复制到 dest 的结尾，也就是将 dest 字符串最后的 '\0' 覆盖掉，字符追加完成后，再追加 '\0'；所以需要保证 dest 最小为 strlen(dest)+n+1 。

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

int main(void)
{
	char site[100] = "http://www.douniwai.com";
	char uri[300] = "/c/strncatiii";
	strncat(site, uri, 1000);  // BAD, 1000远远超过path的长度，那么可能会导致segment fault
	strncat(site, uri, sizeof(site)-strlen(site)-1); // GOOD
	puts(site);
	return  0;
}

可以通过 gcc -Wall -D_FORTIFY_SOURCE=2 -O2 main.c 命令编译测试。

内存申请

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
void free(void *ptr);
void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
void *realloc(void *ptr, size_t size);

malloc() 申请 size 字节大小大内存，内存空间未初始化，如果 size 是 0 可能会返回 NULL 或者一个后续可以 free 的指针；分配内存失败则返回 NULL；calloc() 为申请数组空间，会自动初始化为 0 。

realloc() 的功能比较复杂，可以实现内存分配、释放，会将 ptr 所指向的内存块的大小修改为 size，并将新的内存指针返回，注意，不会保证返回的指针不变，会保证内存地址连续。注意，使用 malloc() 替换 realloc() 。

如果 ptr 和 size 均不为 0 时，会调整内存大小，返回新的开始指针，并保证源 size 内容不变；
如果 ptr 为 NULL 而 size 不为 0 ，那么等同于 malloc(size)；
如果 size = 0，那么相当于调用 free(ptr)。

一般来说，一个函数只提供一个功能，如上的函数却赋予了好几个功能，这并不是良好的函数设计，估计也是为了兼容性，才容忍这个函数一直在 C 库中。

另外，根据 C 的标准 ISO-IEC 9899 7.20.3.2/2：

void free(void *ptr);
  If ptr is a null pointer, no action occurs.

所以，在执行 free() 时，不需要检查是否为 NULL，因此可以实现一个 sfree() 宏。

#define sfree(m) do { \
    free(m);          \
    m = NULL;         \
} while(0);

注意事项

realloc()有可能操作失败，返回NULL，所以不要把它的返回值直接赋值给原来的指针变量，以免原值丢失：

// 错误处理，返回失败时，原指针丢失，导致内存泄露
void *ptr = realloc(ptr, new_size);
if (!ptr) {
}
// 正确使用方法
void *new_ptr = realloc(ptr, new_size);
if (!new_ptr) {
}
ptr = new_ptr

一般 malloc(0) 和 calloc(0) 是合法的语句，会返还一个合法的指针，且该指针可以通过 free() 去释放；而对于 realloc() 则有不同的行为，如果为 0 ，那么最后再次 free() 时，就会导致重复释放。

示例

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

int main()
{
  int *p = NULL;
  p = (int *) malloc(sizeof(int));
  if (NULL == p) {
    printf("Can't get memory!\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  memset(p, 0, sizeof(int));
  *p = 2;
  printf("%d\n", *p);
  free(p);

  #define SIZE 5
  int i = 0;
  p = (int *) calloc(SIZE, sizeof(int));
  if (NULL == p) {
    printf("Can't get memory!\n");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  for (i = 0; i < SIZE; i++) {
    p[i] = i;
  }
  for (i = 0; i < SIZE; i++) {
    printf("p[%d]=%d\n", i, p[i]);
  }
  return 0;
}

字符串格式化

#include <stdio.h>
int printf(const char *format, ...);
int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
int sprintf(char *str, const char *format, ...);
int snprintf(char *str, size_t size, const char *format, ...);

除了上述一类的格式化函数之外，还有一类是上述函数添加了 v 开头的函数，如 vprintf()、vfprintf() 等；区别是后或者可以用户自定义打印函数，示例如下：

int error(char *fmt, ...)
{
    int result;
    va_list args;
    va_start(args, fmt);
    fputs("Error: ", stderr);
    result = vfprintf(stderr, fmt, args);
    va_end(args);
    return result;
}

其中 printf() 和 fprintf() 输出到缓冲区，所以不需要考虑溢出，对于 sprintf() 和 snprintf() 建议使用后者；后者最多从源串中拷贝 n-1 个字符到目标串中，然后再在字符串后面添加 '\0' 。

若成功则返回存入数组的字符数(不含'\0')；如果空间不足，则返回 “如果有足够空间存储，所应能输出的字符数(不含’\0’)”，所以可以通过判断返回值是否大于 n 决定是否有溢出；若编码出错则返回负值。

如下是一个简单的示例。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main( int argc, char **argv)
{
  char buffer[255];
  int offset = 0, i;

  for ( i = 0; i < 10; i++) {
    offset += snprintf(buffer + offset, 255 - offset, ":%x\0", i);
  }
  printf ("buffer: %s\n", buffer);
  return 0;
}

示例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
  char str[10];
  int ret;

  // 超过10个字符，返回应该使用的strlen()，也就是12
  ret = snprintf(str, sizeof(str), "Hey %s !", "foobar");
  if (ret < 0) {
    perror("snprintf");
    exit(EXIT_FAILURE);
  } else if (ret >= sizeof(str)) {
    fprintf(stderr, "no enough buffer\n");
    printf("%s, ret %d\n", str, ret);
  } else {
    printf("%s, ret %d\n", str, ret);
  }

  return 0;
}

字符串整形转换

将字符串转换为长整型数，会扫描参数 nptr 字符串，跳过前面的空白字符 (如空格、tab等)，直到遇上数字或正负符号才开始做转换，然后再遇到非数字或字符串结束符('\0')结束转换，并将结果返回。

#include <stdlib.h>
long int strtol (const char *nptr, char **endptr, int base);
long long int strtoll(const char *nptr, char **endptr, int base);

参数：
  str    : 要转换的字符串；
  endstr : 第一个不能转换的字符的指针，非NULL传回不符合条件而终止的字符串指针；
  base   : 字符串str所采用的进制，范围从2~36，也可以为0(默认为10进制；遇到0x/0X前置采用16进制；遇到0前置采用8进制) 。
返回值：
  转换后的长整型数；如果不能转换或者nptr为空字符串，返回 0(0L)；
  如果转换得到的值超出long int所能表示的范围，函数将返回LONG_MAX或LONG_MIN (在limits.h中定义)，并将errno设置为ERANGE。

ANSI C 规范定义了 stof()、atoi()、atol()、strtod()、strtol()、strtoul() 共 6 个可以将字符串转换为数字的函数；在 C99/C++11 规范中又新增了 5 个函数，分别是 atoll()、strtof()、strtold()、strtoll()、strtoull()。

atoi() 和 strtol() 的区别在于，前者无法判断转换是否成功，后者可以通过返回指针以及 errno 判断是否转换成功。

示例

#include <stdio.h>      /* printf */
#include <stdlib.h>     /* strtol */
#include <errno.h>      /* errno */
#include <limits.h>     /* LONG_MAX, LONG_MIN */

int main (int argc, char **argv)
{
	char *numbers = "2001 60c0c0 0351 -1101110100110100100000 0x6fffff";
	char *endptr;
	long int li1, li2, li3, li4, li5;

	errno = 0;
	li1 = strtol(numbers, &endptr, 10);
	if ((errno == ERANGE && (li1 == LONG_MAX || li1 == LONG_MIN)) || (errno != 0 && li1 == 0)) {
		perror("strtol");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (endptr == numbers) { // || *pEend != '\0'
		fprintf(stderr, "No digits were found\n");
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	if (*endptr != '\0')
		printf("Further characters after number: %s\n", endptr);

	li2 = strtol(endptr, &endptr, 16);
	li3 = strtol(endptr, &endptr, 8);
	li4 = strtol(endptr, &endptr, 2);
	li5 = strtol(endptr, NULL, 0);
	printf ("The decimal equivalents are: %ld, 0x%lX, 0%lo, %ld and 0x%lX.\n", li1, li2, li3, li4, li5);

	return 0;
}

另外是浮点数的转换。

double strtod (const char* str, char** endptr);

会自动扫描参数 str 字符串，并跳过空白字符 (通过 isspace 函数检测)，直到遇上数字或正负符号才开始做转换，当出现非数字时停止转换，其中 endptr 返回第一个不能转换的字符指针。

当 endptr 为 NULL 或者等于 str 时表示转换失败。

字符串查找

简单介绍下常见的字符串操作函数。

strtok()

可以参考如下的示例，在 strtok() 代码中，会保存上次查询的状态，就导致不可以重入以及线程不安全。

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

int main(int argc, char **argv)
{
	char str[1024] = "Fred male 25,John male 62,Anna female 16";
	char *token, *subtoken;

	for(token = strtok(str, ","); token != NULL; token = strtok(NULL, ",")) {
		printf( " %s\n", token );
		for(subtoken = strtok(token, " "); subtoken != NULL; subtoken = strtok(NULL, " "))
			printf( "  -> %s\n", subtoken );
	}

	return 0;
}

如上的代码中，实际只提取了第一个人的信息，而非我们所预想的会提取所有代码。

原因是，在第一次外循环中，strtok() 将 Fred male 25, 后的逗号，改为了 '\0'，这时 strtok() 内部的指针指向的是逗号的后一个字符 'J'，经过第一次的内循环，分别提取出了 "Fred"、 "male"、 "25"，而且在提取完 "25" 之后，函数内部的指针被修改指向了 "25" 后面的 '\0' 。

内循环结束后开始第二次的外循环，而此时 strtok() 函数内部的指针已经指向了 NULL ，所以，当执行第二次的循环时会直接退出而不再执行。

strtok_r()

strtok_r() 是 Linux 平台下 strtok() 的线程安全版，saveptr 参数是一个指向 char * 的指针变量，用来在 strtok_r() 内部保存切分时的上下文，以应对连续调用分解相同源字符串。

第一次调用 strtok_r() 时，str 参数必须指向待提取的字符串，saveptr 参数的值可以忽略；后续调用时，str 赋值为 NULL，saveptr 为上次调用后返回的值，不要修改。

关于示例程序可以查看 man 3 strtok_r ，如下是一个 GUN C 的实现程序。

/* Parse S into tokens separated by characters in DELIM.
   If S is NULL, the saved pointer in SAVE_PTR is used as
   the next starting point.  For example:
        char s[] = "-abc-=-def";
        char *sp;
        x = strtok_r(s, "-", &sp);      // x = "abc", sp = "=-def"
        x = strtok_r(NULL, "-=", &sp);  // x = "def", sp = NULL
        x = strtok_r(NULL, "=", &sp);   // x = NULL
                // s = "abc\0-def\0"
*/
char *strtok_r(char *s, const char *delim, char **save_ptr)
{
	char *token;

	if (s == NULL)
		s = *save_ptr;

	/* Scan leading delimiters.  */
	s += strspn(s, delim);
	if (*s == '\0')
		return NULL;

	/* Find the end of the token.  */
	token = s;
	s = strpbrk(token, delim);
	if (s == NULL) {
		/* This token finishes the string.  */
		*save_ptr = strchr(token, '\0');
	} else {
		/* Terminate the token and make *SAVE_PTR point past it.  */
		*s = '\0';
		*save_ptr = s + 1;
	}

	return token;
}

简单示例如下。

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

int main(void)
{
        char *ptr, *saveptr, *data;
        char tags[] = "tag1=value1,tag2=value2.tag3=value3";

        data = tags;
        while ((ptr = strtok_r(data, ".,", &saveptr)) != NULL) {
                data = NULL;
                printf("Got %s\n", ptr);
        }

        return 0;
}

strchr()

该函数是字符查找，找到则返回第一个字符的地址，否则返回 NULL 。如下是一个简单的程序，用来分割一个字符串，类似与 /etc/shadow 中保存的密码。

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

int main (int argc, char **argv)
{
	char *encrypted = strdup("$1$test$justfortest");
	char *id, *salt, *passwd;

	id = strchr(encrypted, '$');
	if (id == NULL)
		exit(EXIT_FAILURE);
	*id = 0;
	id++;

	salt = strchr(id, '$');
	if (salt == NULL)
		exit(EXIT_FAILURE);
	*salt = 0;
	salt++;

	passwd = strchr(salt, '$');
	if (passwd == NULL)
		exit(EXIT_FAILURE);
	*passwd = 0;
	passwd++;

	printf("id: %s salt: %s password: %s\n", id, salt, passwd);
	free(encrypted);

	return 0;
}

其它

字符串查找

#include <string.h>
char *strstr(const char *haystack, const char *needle);

也就是从 haystack (干草堆) 中找到 needle (针) 第一次出现的位置，不包括 needle 中的串结束符；如找不到，返回空指针。

字符串复制

#include <string.h>
char *strcpy(char *dest, const char *src);
char *strncpy(char *dest, const char *src, size_t n);

前者会将 src 复制到 dest ，包括 '\0' 字符，需要保证 dest 有足够的空间，否则可能会发生溢出。而后者最多复制 n 个字符串到 dest ，注意，如果这 n 个字符中没有 '\0' 那么需要手动添加。

返回字符串 dest 。

strdup()

该函数会通过 malloc() 申请内存，然后将字符串复制过去，所以需要调用者手动释放内存。

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

int main(void)
{
	char *src ="This is the jibo";
	char *dest;

	dest = strdup(src);
	printf("the dest %s\n",dest);
	free(dest);

	return 0;
}

如果不通过 free() 释放内存，那么会导致内存泄露，可以通过 valgrind 命令检查，如下：

$ valgrind --tool=memcheck --leak-check=yes ./test

memcpy VS. memmove

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main ()
{
	char str[] = "memmove can be very useful......";

	memmove(str + 20, str + 15, 11);
	puts(str);

	return 0;
}

注意，即使替换为 memcpy() 上述的代码仍有可能是正确的，这主要是由于编译器的优化所致，详细可以反汇编查看。

#include <string.h>
void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
void *memmove(void *dest, const void *src, size_t n);

两者都是将 N 个字节的源内存地址的内容拷贝到目标内存地址中，需要保证 dest 有足够的空间；区别是后者可以有效处理重叠区域，其处理措施如下：

当源内存的首地址等于目标内存的首地址时，不进行任何拷贝；
当源内存的首地址大于目标内存的首地址时，实行正向拷贝；
当源内存的首地址小于目标内存的首地址时，实行反向拷贝；

更详细的场景可以分为如下：

内存低端 <-----s-----> <-----d-----> 内存高端 start at end of s
内存低端 <-----s--<==>--d----->      内存高端 start at end of s
内存低端 <-----sd----->              内存高端 do nothing
内存低端 <-----d--<==>--s----->      内存高端 start at beginning of s
内存低端 <-----d-----> <-----s-----> 内存高端 start at beginning of s

如下是两者的实现代码：

void* memcpy(void* dest, const void* src, size_t n)
{
	char *d = (char*) dest;
	const char *s = (const char*) src;

	while(n--)
		*d++ = *s++;

	return dest;
}

void* memmove(void* dest, const void* src, size_t n)
{
	char *d = (char*) dest;
	const char *s = (const char*) src;

	if (s>d) {        // start at beginning of s
		while (n--)
		*d++ = *s++;
	} else if (s<d) { // start at end of s
		d = d+n-1;
		s = s+n-1;
		while (n--)
			*d-- = *s--;
	}
	return dest;
}

与之相关的还有 memccpy()、mempcpy() 以及 bcopy() 函数：

memccpy() 将 src 指向内存的前 n 个字节复制到 dest ，期间在遇到某个特定值 (int c) 就立即停止复制。
mempcpy() 类似于 memcpy() ，不同的是该函数返回复制到最后地址的下一个地址，而非返回 dest，通常用于流式的复制。

其它

添加格式化字符串。

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

#define BUFFER_ADD(...) do {                                 \
        int rc_;                                             \
        rc_ = snprintf(buff + off, size - off, __VA_ARGS__); \
        if (rc_ < 0) {                                       \
                fprintf(stderr, "format buffer error.\n");   \
                return -1;                                   \
        } else if (rc_ >= size - off) { /* including NULL */ \
                fprintf(stderr, "buffer overflow.\n");       \
                return -2;                                   \
        } else {                                             \
                off += rc_;                                  \
        }                                                    \
} while (0)

int main(void)
{
        char buff[16];
        int off = 0, size = sizeof(buff);

        //BUFFER_ADD("123456789012345");
        //BUFFER_ADD("1234567890123456"); /* overflow */
        BUFFER_ADD("1234567890");
        BUFFER_ADD("12345");

	printf("offset=%d string=%s\n", off, buff);

        return 0;
}

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KISS

Keep It Simple and Stupid.

Seize The Day

And Get Busy Living

Stay hungry

Stay foolish

Ever tried, ever failed

No matter, try again

Fail again, fail better

Nothing is true

Every is permitted

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