C语言字符函数和字符串函数全解析：从使用到模拟实现
在C语言编程中，字符和字符串的处理是非常核心的操作。为了简化这些操作，C语言标准库提供了一系列实用的字符函数和字符串函数。本文将全面讲解这些函数的使用方法、注意事项，并通过模拟实现帮助大家深入理解其底层逻辑。
一、字符分类函数
字符分类函数用于判断字符的类型（如是否为数字、字母、空白字符等），这些函数都声明在 <ctype.h> 头文件中。
常用字符分类函数列表
| 函数名 | 功能描述 |
|---|---|
iscntrl | 判断是否为控制字符（如换行符、制表符） |
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、垂直制表符\v） |
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（09、af、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（az或AZ） |
isalnum | 判断是否为字母或数字 |
ispunct | 判断是否为标点符号（非字母/数字的可打印图形字符） |
isgraph | 判断是否为图形字符（可打印且非空白） |
isprint | 判断是否为可打印字符（含图形字符和空白） |
函数特点
所有字符分类函数的参数为 int c（字符的ASCII码），返回值为：
- 非0整数：表示满足条件（真）
- 0：表示不满足条件（假）
示例：使用islower判断小写字母
下面代码将字符串中的小写字母转为大写，其他字符不变：
#include <stdio.h>
#include <ctype.h> // 包含字符分类函数声明int main()
{int i = 0;char str[] = "Test String.\n";char c;while (str[i]) { // 遍历字符串直到'\0'c = str[i];if (islower(c)) // 判断是否为小写字母c -= 32; // 小写转大写（ASCII码差值）putchar(c);i++;}return 0;
}
输出结果：TEST STRING.
二、字符转换函数
C语言提供了两个常用的字符转换函数，同样声明在 <ctype.h> 中：
| 函数名 | 功能描述 |
|---|---|
tolower(int c) | 将大写字母转为小写（非大写字母返回原字符） |
toupper(int c) | 将小写字母转为大写（非小写字母返回原字符） |
示例：使用toupper转换小写字母
#include <stdio.h>
#include <ctype.h>int main()
{int i = 0;char str[] = "Test String.\n";char c;while (str[i]) {c = str[i];if (islower(c))c = toupper(c); // 使用转换函数更简洁putchar(c);i++;}return 0;
}
输出结果：TEST STRING.
三、字符串长度函数strlen
strlen用于计算字符串的长度（不含结束符\0），声明在 <string.h> 中。
函数原型
size_t strlen(const char *str); // size_t是无符号整数类型
关键特性
- 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），注意比较时的坑（见示例）； - 计算的是
\0之前的字符个数。
使用示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{const char* str1 = "abcdef"; // 长度6const char* str2 = "bbb"; // 长度3// 易错点：无符号数相减if (strlen(str2) - strlen(str1) > 0) // 3-6 = -3，无符号下为大正数printf("str2>str1\n"); // 实际会执行这里elseprintf("str1>str2\n");return 0;
}
输出结果：str2>str1（因无符号数特性导致的逻辑错误）
模拟实现strlen
方式1：计数器法
#include <stdio.h>
#include <assert.h> // 用于断言int my_strlen(const char* str)
{assert(str != NULL); // 确保指针非空int count = 0;while (*str) { // 当*str为'\0'时终止count++;str++; // 指针后移}return count;
}
方式2：递归法（无临时变量）
int my_strlen(const char* str)
{assert(str);if (*str == '\0')return 0;elsereturn 1 + my_strlen(str + 1); // 递归累加
}
方式3：指针-指针法
int my_strlen(const char* str)
{assert(str);const char* start = str; // 记录起始地址while (*start != '\0')start++; // 移动到'\0'位置return start - str; // 地址差值即长度
}
四、字符串拷贝函数strcpy
strcpy用于将源字符串拷贝到目标空间，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strcpy(char* destination, const char* source);
关键特性
- 源字符串必须以
\0结尾，且会将\0一同拷贝； - 目标空间必须足够大（能容纳源字符串）；
- 目标空间必须可修改（不能是常量字符串）；
- 返回目标空间的起始地址。
模拟实现strcpy
#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strcpy(char* dest, const char* src)
{assert(dest != NULL && src != NULL); // 检查指针有效性char* ret = dest; // 保存目标起始地址// 循环拷贝，直到拷贝'\0'后终止while ((*dest++ = *src++)) {; // 空语句，逻辑在表达式中完成}return ret; // 返回目标地址
}
五、字符串追加函数strcat
strcat用于将源字符串追加到目标字符串末尾，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strcat(char* destination, const char* source);
关键特性
- 源字符串必须以
\0结尾； - 目标字符串必须以
\0结尾（否则无法确定追加起始位置）； - 目标空间必须足够大（容纳原目标+源字符串）；
- 目标空间必须可修改；
- 字符串不能自己追加自己（会覆盖
\0导致死循环）。
模拟实现strcat
#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strcat(char* dest, const char* src)
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 1. 移动目标指针到'\0'位置while (*dest) {dest++;}// 2. 拷贝源字符串到目标末尾（含'\0'）while ((*dest++ = *src++)) {;}return ret;
}
六、字符串比较函数strcmp
strcmp用于比较两个字符串的大小，声明在 <string.h> 中。
函数原型
int strcmp(const char* str1, const char* str2);
比较规则
- 从第一个字符开始逐个比较ASCII码值；
- 若字符不同，返回差值（
str1字符 - str2字符）； - 若所有字符相同且都到
\0，返回0； - 标准规定：
- 返回>0：
str1 > str2 - 返回=0：
str1 == str2 - 返回<0：
str1 < str2
- 返回>0：
模拟实现strcmp
#include <stdio.h>
#include <assert.h>int my_strcmp(const char* str1, const char* str2)
{assert(str1 && str2);// 比较字符，直到不同或遇到'\0'while (*str1 == *str2) {if (*str1 == '\0') // 都到'\0'，相等return 0;str1++;str2++;}// 返回差值return *str1 - *str2;
}
七、受限字符串拷贝函数strncpy
strncpy是strcpy的安全版本，可指定拷贝的字符数，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strncpy(char* destination, const char* source, size_t num);
关键特性
- 拷贝
num个字符从源字符串到目标空间； - 若源字符串长度 <
num：拷贝完源字符串后，目标空间剩余部分补\0至num个； - 若源字符串长度 ≥
num：只拷贝前num个字符（不自动补\0）。
模拟实现strncpy
#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strncpy(char* dest, const char* src, size_t num)
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 拷贝前num个字符或直到源字符串结束while (num > 0 && *src != '\0') {*dest++ = *src++;num--;}// 若还有剩余num，补'\0'while (num > 0) {*dest++ = '\0';num--;}return ret;
}
八、受限字符串追加函数strncat
strncat是strcat的安全版本，可指定追加的字符数，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strncat(char* destination, const char* source, size_t num);
关键特性
- 追加源字符串的前
num个字符到目标字符串末尾； - 无论是否追加满
num个字符，最终都会在目标字符串末尾补一个\0； - 若源字符串长度 <
num：只追加源字符串到\0的部分，再补\0。
使用示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char str1[20];char str2[20];strcpy(str1, "To be ");strcpy(str2, "or not to be");strncat(str1, str2, 6); // 追加str2的前6个字符"or not"printf("%s\n", str1); // 输出：To be or notreturn 0;
}
模拟实现strncat
#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strncat(char* dest, const char* src, size_t num)
{assert(dest && src);char* ret = dest;// 1. 移动到目标字符串的'\0'位置while (*dest) {dest++;}// 2. 追加前num个字符（或源字符串结束）while (num > 0 && *src != '\0') {*dest++ = *src++;num--;}// 3. 必须补'\0'*dest = '\0';return ret;
}
九、受限字符串比较函数strncmp
strncmp用于比较两个字符串的前num个字符，声明在 <string.h> 中。
函数原型
int strncmp(const char* str1, const char* str2, size_t num);
关键特性
- 比较前
num个字符，或直到遇到\0； - 若前
num个字符都相同，返回0； - 若中途字符不同，返回差值（
str1字符 - str2字符）。
模拟实现strncmp
#include <stdio.h>
#include <assert.h>int my_strncmp(const char* str1, const char* str2, size_t num)
{assert(str1 && str2);// 比较前num个字符while (num > 0) {if (*str1 != *str2) {return *str1 - *str2; // 字符不同，返回差值}if (*str1 == '\0') {break; // 已到字符串末尾}str1++;str2++;num--;}return 0; // 前num个字符相同
}
十、字符串查找函数strstr
strstr用于查找子字符串在母字符串中第一次出现的位置，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strstr(const char* str1, const char* str2); // str1:母串，str2:子串
关键特性
- 若找到子串，返回子串在母串中第一次出现的起始地址；
- 若未找到，返回
NULL； - 若子串为空（
*str2 == '\0'），返回母串起始地址。
使用示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main()
{char str[] = "This is a simple string";char* pch = strstr(str, "simple"); // 查找"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strstr
#include <stdio.h>
#include <assert.h>char* my_strstr(const char* str1, const char* str2)
{assert(str1 && str2);// 子串为空，返回母串if (*str2 == '\0') {return (char*)str1;}const char* cp = str1; // 母串起始指针while (*cp) {const char* s1 = cp; // 母串当前比较位置const char* s2 = str2; // 子串起始位置// 匹配子串while (*s1 && *s2 && *s1 == *s2) {s1++;s2++;}// 若子串已匹配完，返回当前cp位置if (*s2 == '\0') {return (char*)cp;}cp++; // 母串指针后移继续查找}return NULL; // 未找到
}
十一、字符串分割函数strtok
strtok用于按指定分隔符分割字符串，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strtok(char* str, const char* sep); // sep:分隔符集合
关键特性
sep是分隔符集合（如".,"表示.和,都是分隔符）；- 第一次调用时，
str为待分割字符串，函数返回第一个标记的地址； - 后续调用需将
str设为NULL，函数从上次保存的位置继续查找下一个标记； - 函数会修改原字符串（将分隔符替换为
\0），建议使用临时拷贝； - 无更多标记时返回
NULL。
使用示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>int main() {char arr[] = "192.168.6.111"; // 原字符串（可修改）char* sep = "."; // 分隔符为.char* str = NULL;// 循环分割字符串for (str = strtok(arr, sep); str != NULL; str = strtok(NULL, sep)) {printf("%s\n", str); // 依次输出每个IP段}return 0;
}
输出结果：
192
168
6
111
十二、错误信息函数strerror
strerror用于获取错误码对应的描述信息，声明在 <string.h> 中。
函数原型
char* strerror(int errnum); // errnum:错误码
关键特性
- C语言用全局变量
errno（声明在<errno.h>）记录错误码； - 程序启动时
errno为0（无错误）； - 库函数出错时会设置
errno，strerror将其转为可读字符串。
使用示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h> // 包含errno定义int main() {// 打印0~10错误码对应的信息for (int i = 0; i <= 10; i++) {printf("%d: %s\n", i, strerror(i));}// 文件操作错误示例FILE* pFile = fopen("unexist.txt", "r"); // 打开不存在的文件if (pFile == NULL) {printf("Error: %s\n", strerror(errno)); // 输出错误信息}return 0;
}
扩展：perror函数
perror可直接打印错误信息，等价于printf("xxx: %s\n", strerror(errno))：
#include <stdio.h>
#include <errno.h>int main() {FILE* pFile = fopen("unexist.txt", "r");if (pFile == NULL) {perror("Open file failed"); // 自动拼接错误信息}return 0;
}
输出结果：Open file failed: No such file or directory
总结
本文详细讲解了C语言中常用的字符函数和字符串函数，包括功能、使用注意事项及模拟实现。掌握这些函数的核心逻辑不仅能提高编程效率，还能帮助大家规避潜在的bug（如无符号数比较、字符串越界等）。实际开发中，建议优先使用标准库函数，但理解其底层实现能让你在遇到问题时更快定位原因。
希望本文对你的C语言学习有所帮助！如果有疑问或补充，欢迎在评论区交流～