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C语言字符数组的用法（非常详细）

在众多的数组中，有一个特殊的数组，即字符数组，我们需要对其进行额外的讲解。

在探究字符数组之前，我们来回顾与字符串相关的知识点，看个例子：
#include <stdio.h>
int main()
{
    printf("sizeof HelloWorld = %d\n", sizeof("HelloWorld"));
    return 0;
}
使用 sizeof 操作符测量字符串 "HelloWorld" 占用了 11 字节，执行结果为：

sizeof HelloWorld = 11

内存中的字符串常量由每个字符的 ASCII 码按照顺序排列构成，每个字符仅占 1 字节，并且末尾会附上一个数值 0，指示字符串结尾，如下图所示：


图 1 字符串"HelloWorld"内部存储

字符 '0' 对应的 ASCII 码为十进制 48。为了不与字符 '0' 冲突，将标记字符串结尾的数值 0，使用转义序列 '\0' 表示。

字符数组存储字符串

由于字符串满足数组的类型相同且按顺序排列的特点，元素为 char 的数组可以用于存储字符串。

1) 初始化字符数组

我们可以声明一个 char 类型的数组，并将其初始化为 "HelloWorld"，代码如下： 
char str[20] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
在上述代码中，由于数组大小为 20，而初始化列表中仅有 10 个元素，数组中剩余的 10 个元素会被自动初始化为 0，即自动添加了字符串结尾标识符 '\0'。

此外，我们还可以使用更简便的字符数组初始化方式，即将初始化列表直接写成一个字符串常量，代码如下： 
char str[20] = "HelloWorld";
在上述代码中，字符串常量的末尾会被自动添加 '\0' 作为字符串结尾标识符，因此上述代码等价于： 
char str[20] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '\0'};

2) 省略数组大小

有时候，我们希望一个数组被初始化为某个字符串，但是又不想数清楚到底有多少个字符。此时，我们可以在数组声明时省略数组大小，此时数组的大小就是初始化列表中元素的个数。

代码如下：
char str1[] = "HelloWorld";
char str2[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '\0'};
上述两种写法是等价的，数组的大小为 11，即初始化列表中的元素个数。

3) 输出字符数组

接下来，我们可以使用 printf() 函数将字符数组中存储的字符串输出到控制台中，由于 printf() 函数的第一个参数可以接收一串字符串，因此我们可以直接将数组作为 printf() 的第一个参数，如下所示： 
printf("HelloWorld");
printf(str);           //使用字符数组
在 C语言中，字符数组和字符串常量是存储字符串的两种方式。字符串常量是一种特殊类型的字符数组。当我们在 C语言中使用 printf() 函数时，可以直接将字符数组作为参数传递给该函数，因为 printf() 函数会将字符数组中的字符逐个输出到控制台中，直到遇到空字符。

此外，转换规范 %s 也可以作为字符数组的占位符，代码如下： 
printf("%s", str);
下面是一个将字符数组输出到控制台中的示例： 
#include <stdio.h>
int main()
{
   char str[20] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
   printf(str);
   printf("\n");
   printf("%s", str);
   printf("\n");
   return 0;
}
运行结果为：

HelloWorld
HelloWorld

字符串结尾标记'\0'

在使用字符串常量时，系统会自动为我们在字符串末尾添加 '\0' 标记字符串结束。但是在使用字符数组时，有些情况不能保证字符串末尾有 '\0'，需要格外注意。

1) 初始化列表长度小于数组长度

如果使用初始化列表初始化字符数组，并且初始化列表长度小于数组长度，则数组前面的元素将被初始化为字符串，后面的元素将被填充为 0。在这种情况下，字符数组中的字符串正常结尾，因为系统在初始化期间已经为字符串添加了结尾标记 '\0'。

例如： 
char str[20] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
上面的代码将数组前 10 个元素初始化为字符串 "HelloWorld"，后面的 10 个元素被填充为 0。

2) 初始化列表长度等于数组长度

如果使用初始化列表初始化字符数组，并且初始化列表长度等于数组长度，则数组中的元素都被初始化为字符串。但由于初始化列表已经占用了数组中的所有空间，因此没有空间可以保存结尾标记 '\0'。

在这种情况下，字符数组中的字符串无法结尾，这可能会导致数组越界访问。例如： 
char str[10] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
上面的代码将数组中的所有 10 个元素都初始化为字符串 "HelloWorld"。但由于缺少结尾标记 '\0'，在使用 printf() 等函数输出该字符数组时，程序将继续输出数组外的元素，直到遇到一个 '\0' 才停止。这可能导致数组被越界访问。

例如，下面的代码将输出字符数组 str 中的所有元素，以及其后面的不确定值。 
printf("%s", str);
运行结果为：

HelloWorld烫烫烫烫烫烫烫烫烫

因此，在使用初始化列表初始化字符数组时，必须确保数组中有足够的空间保存结尾标记 '\0'。

3) 初始化列表长度大于数组长度

如果使用初始化列表初始化字符数组，并且初始化列表长度大于数组长度，则将无法通过编译。这是因为初始化列表中的元素数量超过了数组的容量，无法被全部存储。

例如： 
char str[5] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
上面的代码将会导致编译错误，因为初始化列表中有 10 个元素，而数组只有 5 个元素的容量。

4) 省略数组大小的情况

在 C语言中，我们有时会省略数组的大小并直接使用字符串常量来初始化数组。

例如，下面的代码： 
char str[] = "HelloWorld";
这段代码省略了数组的大小，直接使用字符串常量来初始化数组。由于系统会自动为字符串常量结尾添加 '\0'，因此字符串常量大小为 11。使用该字符串初始化数组，数组大小也为 11，并且最后一个字符为 '\0'，即字符串正常结尾。

我们还可以使用初始化列表来初始化数组，例如： 
char str[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd', '\0'};
在这段代码中，我们使用了初始化列表来初始化数组。该初始化列表包含了 11 个字符常量，其中最后一个字符常量为 '\0'，表示字符串的结尾。使用该初始化列表初始化数组，数组大小为 11，并且最后一个字符为 '\0'，即字符串正常结尾。

需要注意的是，如果我们使用以下代码初始化数组，则该数组中的字符将不会正常结尾。 
char str[] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', 'W', 'o', 'r', 'l', 'd'};
该初始化列表包含了 10 个字符常量，最后一个字符常量为 'd'，因此使用该初始化列表初始化数组，数组大小为 10，并且最后一个字符为 'd'。这意味着该字符数组中的字符串无法正常结尾。

在实际编程中，我们应该避免出现这种情况，以确保程序的正确性和稳定性。

字符数组的大小及长度

在下面的代码中，我们声明一个长度为 20 的字符数组 str，并使用字符串常量"HelloWorld"对它进行初始化。这样，字符数组的前 10 个元素为 HelloWorld，第 11 个元素为 '\0'。 
char str[20] = "HelloWorld";
为了测试 str 的大小，我们可以使用 sizeof 关键字，结果为 20。从结果可以看出，str 的大小为 20 字节，和我们声明的数组大小一致。因此，我们无法直接用 sizeof 关键字测量字符串的长度。

接下来，我们将提供两种方法来测量字符串的长度。

1) 使用循环测量字符串长度

一个字符串用 '\0' 标记结尾，只要知道在 '\0' 之前，有多少个字符，就能知道字符数组中的字符串的长度了。具体的代码如下：
#include <stdio.h>

int main()
{
    char str[20] = "HelloWorld";
    int len = 0;
    while(str[len] != '\0')  // 检查字符串结束符
    {
        len++;
    }
    printf("%d", len);
    return 0;
}
在程序中，我们声明了一个 len 变量，用于统计字符串长度。while 循环从第一个元素开始，检查元素是否为 '\0'，如果不是，则将 len 加 1，直到元素为 '\0'。循环结束时，len 的值即为字符串的长度。运行结果为 10。

2) 使用strlen()测量字符串长度

我们还可以使用 strlen() 函数来计算字符串的长度。strlen() 是由 string（字符串）和 length（长度）两个单词组合而成。

strlen() 函数的使用方法如下：
下面展示了一个使用 strlen() 函数的例子： 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    char str[20] = "HelloWorld";
    int len1;
    len1 = strlen(str);
    printf("len1 = %d\n", len1);

    int len2;
    len2 = strlen("HelloWorld");
    printf("len2 = %d\n", len2);

    printf("sizeof str %d\n", sizeof(str));
    printf("sizeof helloworld %d\n", sizeof("HelloWorld"));
    return 0;
}
在这个例子中，len1 是由 strlen() 函数测量的字符数组 str 内字符串的长度，len2 是由 strlen() 函数测量的字符串常量 "HelloWorld" 的长度。后续，用 sizeof 分别测量字符数组 str 和字符串常量 "HelloWorld" 占用的空间大小。

这个程序的运行结果为：

len1 = 10
len2 = 10
sizeof str 20
sizeof helloworld 11

因为 HelloWorld 有 10 个字符，所以字符串长度为 10，len1 和 len2 都是 10。字符数组有 20 个元素，所以它占用 20 字节的空间。字符串常量为字符串长度加上结尾标记，所以它占用 11 字节的空间。

总的来说，strlen(str) 测量从第一个元素开始直到元素值为 '\0' 的字符串的长度，而 sizeof(str) 测量数组本身占用的空间大小。

修改字符数组

字符串常量是不可变的，但字符数组却可以被修改。

下面展示了一个修改字符数组的例子：
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    char str[20] = "abcde";

    // 修改前
    printf("%s\n", str);  // 使用%s格式符来打印字符串

    // 每个元素减 32
    for(int i = 0; i < strlen(str); i++)
    {
        str[i] = str[i] - 32;
    }

    // 修改后
    printf("%s\n", str);
    return 0;
}
在程序中，数组被初始化为 "abcde"，然后我们将其中的小写字符转换为大写字符。根据 ASCII 码，将小写字符的 ASCII 码减去 32 即可得到对应的大写字符。运行结果为：

abcde
ABCDE

从键盘输入字符串到字符数组中

可以使用 scanf() 函数将从键盘中输入的一串字符串存储到字符数组中，其转换规范为 "%s"。例如： 
char str[20];
scanf("%s", str);  //  将从键盘中输入的一串字符串存储到字符数组str中
下面程序使用 scanf() 函数将一串字符串存储到字符数组中，并将其中的小写字符转换为大写字符后再进行输出。 
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
    char str[20];

    // 输入一串字符到 str 中
    scanf("%s", str);

    // 修改前
    printf("%s\n", str);

    // 每个元素减 32
    for(int i = 0; i < strlen(str); i++)
    {
        str[i] = str[i] - 32;
    }

    // 修改后
    printf("%s\n", str);
    return 0;
}
scanf() 函数会自动在输入的字符串后面加上 '\0'，因此输入的字符串可以正常结束。运行结果为：

apple
apple
APPLE

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