C++ 字符数组

字符数组是C++中一种特殊的数组类型，专门用于存储字符序列，包括文本、句子和单词等。在C++中，字符数组与字符串有着密切的关系，了解它们的工作原理对于文本处理至关重要。

什么是字符数组？

字符数组是一个存储字符类型(char)数据的数组。它可以存储多个字符，并且在C++中经常用于表示字符串。

cpp

char greeting[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};

上面的代码创建了一个包含6个元素的字符数组，最后一个元素是'\0'，这是一个特殊的空字符（null character），用于标记字符串的结束。

备注

在C++中，字符串实际上是以空字符'\0'结尾的字符数组。这个空字符是字符串的终止符，帮助函数知道字符串在哪里结束。

字符数组的声明与初始化

基本声明

你可以像声明普通数组那样声明一个字符数组：

cpp

char arrayName[size];

其中size是数组的大小，表示它可以存储的字符数量。

初始化方法

字符数组有几种初始化方式：

1. 通过单个字符初始化

cpp

char greeting[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};

2. 使用字符串字面量（推荐方式）

cpp

char greeting[] = "Hello";

在这种情况下，C++编译器会自动在字符串末尾添加空字符'\0'，并且会自动计算数组大小为6（5个字符加上终止符）。

3. 声明后逐个赋值

cpp

char greeting[6];
greeting[0] = 'H';
greeting[1] = 'e';
greeting[2] = 'l';
greeting[3] = 'l';
greeting[4] = 'o';
greeting[5] = '\0';

字符数组与字符串字面量的区别

虽然字符数组可以用来表示字符串，但C++中的字符串字面量（如"Hello"）与字符数组是有区别的：

1. 字符串字面量是只读的，不能被修改
2. 字符数组是可以修改的

例如：

cpp

char str[] = "Hello";  // 创建字符数组，可以修改
str[0] = 'J';  // 合法，修改为"Jello"

const char* ptr = "Hello";  // 指向字符串字面量，不能修改
// ptr[0] = 'J';  // 非法，会导致未定义行为

字符数组的操作

输入输出

可以使用cin和cout来读取和输出字符数组：

cpp

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char name[50];
    cout << "请输入您的名字: ";
    cin >> name;  // 注意：这只会读取到第一个空格
    cout << "您好，" << name << "!" << endl;
    return 0;
}

输入: John Doe 输出: 您好，John!

警告

使用cin读取字符数组时，它只会读取到第一个空白字符（空格、制表符或换行符）。要读取包含空格的整行文本，应使用cin.getline()。

使用 cin.getline() 读取整行

cpp

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char name[50];
    cout << "请输入您的全名: ";
    cin.getline(name, 50);  // 读取最多49个字符（保留一个位置给'\0'）
    cout << "您好，" << name << "!" << endl;
    return 0;
}

输入: John Doe 输出: 您好，John Doe!

字符数组的常见操作

C++提供了<cstring>库，其中包含许多用于处理字符数组的函数：

1. 计算字符串长度：strlen()

cpp

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

int main() {
    char greeting[] = "Hello, World!";
    cout << "字符串长度: " << strlen(greeting) << endl;  // 不计算'\0'
    cout << "数组大小: " << sizeof(greeting) << endl;    // 包含'\0'
    return 0;
}

输出:

字符串长度: 13
数组大小: 14

2. 字符串复制：strcpy()

cpp

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

int main() {
    char source[] = "Hello, World!";
    char destination[20];
    
    strcpy(destination, source);
    cout << "复制后的字符串: " << destination << endl;
    
    return 0;
}

输出:

复制后的字符串: Hello, World!

注意

使用strcpy()时要确保目标数组有足够的空间存储源字符串，否则会导致缓冲区溢出。更安全的替代方案是使用strncpy()，它允许指定最大复制的字符数。

3. 字符串连接：strcat()

cpp

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

int main() {
    char first[50] = "Hello, ";
    char second[] = "World!";
    
    strcat(first, second);
    cout << "连接后的字符串: " << first << endl;
    
    return 0;
}

输出:

连接后的字符串: Hello, World!

4. 字符串比较：strcmp()

cpp

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

int main() {
    char str1[] = "apple";
    char str2[] = "banana";
    
    int result = strcmp(str1, str2);
    
    if (result < 0) {
        cout << str1 << " 在字典序上小于 " << str2 << endl;
    } else if (result > 0) {
        cout << str1 << " 在字典序上大于 " << str2 << endl;
    } else {
        cout << str1 << " 等于 " << str2 << endl;
    }
    
    return 0;
}

输出:

apple 在字典序上小于 banana

字符数组的实际应用场景

1. 简单的文本编辑器

cpp

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

int main() {
    const int MAX_LINES = 10;
    const int MAX_CHARS = 100;
    
    char text[MAX_LINES][MAX_CHARS];
    int lineCount = 0;
    
    cout << "简单文本编辑器 (最多 " << MAX_LINES << " 行)\n";
    cout << "每行输入完后按Enter，输入空行结束\n";
    
    // 读取输入
    while (lineCount < MAX_LINES) {
        cout << lineCount + 1 << "> ";
        cin.getline(text[lineCount], MAX_CHARS);
        
        // 如果是空行则结束输入
        if (strlen(text[lineCount]) == 0) {
            break;
        }
        
        lineCount++;
    }
    
    // 显示文本
    cout << "\n--- 您输入的文本 ---\n";
    for (int i = 0; i < lineCount; i++) {
        cout << text[i] << endl;
    }
    
    return 0;
}

2. 简单的密码验证系统

cpp

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

int main() {
    const char correctPassword[] = "secure123";
    char inputPassword[50];
    bool isAuthenticated = false;
    int attempts = 0;
    const int MAX_ATTEMPTS = 3;
    
    while (attempts < MAX_ATTEMPTS && !isAuthenticated) {
        cout << "请输入密码: ";
        cin.getline(inputPassword, 50);
        
        if (strcmp(inputPassword, correctPassword) == 0) {
            isAuthenticated = true;
        } else {
            attempts++;
            cout << "密码错误！还剩 " << (MAX_ATTEMPTS - attempts) << " 次机会\n";
        }
    }
    
    if (isAuthenticated) {
        cout << "认证成功！欢迎使用系统。" << endl;
    } else {
        cout << "认证失败！请稍后再试。" << endl;
    }
    
    return 0;
}

字符数组与现代C++

尽管字符数组在C++中很常见，但现代C++更推荐使用std::string类来处理字符串，因为它更安全、更方便：

cpp

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

int main() {
    string name;
    cout << "请输入您的名字: ";
    getline(cin, name);
    cout << "您好，" << name << "!" << endl;
    return 0;
}

提示

std::string可以自动管理内存，避免了缓冲区溢出的风险，并提供了更多方便的字符串操作函数。当你熟悉了字符数组的基础后，强烈建议转向使用std::string。

字符数组的常见错误

1. 忘记添加终止字符：字符数组如果没有以'\0'结尾，会导致未定义行为。

cpp

char name[5] = {'J', 'o', 'h', 'n'};  // 没有终止符
cout << name;  // 可能会打印出"John"后跟随随机字符，直到找到某个内存中的'\0'

2. 缓冲区溢出：向字符数组写入超过其容量的数据。

cpp

char name[5];
strcpy(name, "Alexander");  // 危险！会覆盖相邻内存

3. 使用==比较字符串：在C++中，字符数组不能直接使用==进行比较，需使用strcmp。

cpp

char str1[] = "Hello";
char str2[] = "Hello";

if (str1 == str2) {  // 错误：比较的是指针，而非内容
    // 这段代码可能不会执行
}

if (strcmp(str1, str2) == 0) {  // 正确：比较字符串内容
    // 这段代码会执行
}

总结

字符数组是C++中处理文本的基础方式，了解它的工作原理对于理解字符串处理非常重要。本文介绍了：

• 字符数组的定义和声明
• 不同的初始化方式
• 字符数组与字符串字面量的区别
• 常见的字符串操作函数
• 实际应用场景
• 与现代C++ std::string 的对比

虽然现代C++提供了更便捷的std::string类，但理解字符数组仍然很重要，因为它是C++字符串处理的基础，也是与C语言兼容的桥梁。

练习

1. 编写一个程序，统计用户输入的字符串中元音字母(a, e, i, o, u)的个数。
2. 创建一个程序，将用户输入的字符串反转并显示出来。
3. 实现一个简单的凯撒密码程序，将输入的文本中每个字母向后移动3位(如a变为d)。
4. 编写一个程序，检查用户输入的字符串是否是回文(正读反读都一样，如"madam")。
5. 创建一个简单的单词计数程序，统计用户输入文本中的单词数量。

进一步阅读资源

• C++标准库中的<cstring>头文件
• 了解std::string类及其与字符数组的互操作
• 字符编码和多字节字符处理
• 字符串安全性问题及防范措施

通过掌握字符数组的基础知识，你将为C++中更复杂的字符串处理打下坚实的基础。