【C/C++】C语言内存操作与字符串处理汇总

C语言内存操作与字符串处理

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C 语言中常见的内存操作和字符串处理函数

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1 内存操作函数

1.1 普通版本

1. memcpy - 内存复制
   原型：

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

功能：将 src 指向的内存区域的前 n 个字节复制到 dest 指向的内存区域。
参数：

• dest：目标内存地址。
• src：源内存地址。
• n：复制的字节数。
  返回值：返回 dest 的指针。
  注意事项：
• 内存重叠问题：若 src 和 dest 的内存区域有重叠，行为未定义（需用 memmove 替代）。
• 目标空间必须足够大，否则导致缓冲区溢出。

示例：

int src[] = {1, 2, 3};
int dest[3];
memcpy(dest, src, sizeof(src)); // 复制整个数组

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2. memmove - 安全内存复制
   原型：

void* memmove(void* dest, const void* src, size_t n);

功能：与 memcpy 类似，但能正确处理内存重叠问题。
适用场景：当 src 和 dest 内存区域可能重叠时（如数组元素移位）。

示例：

char str[] = "Hello World";
memmove(str + 6, str, 5); // 将前5字节复制到第6字节位置
// 结果：str 变为 "Hello Hello"

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3. memset - 内存填充
   原型：

void* memset(void* ptr, int value, size_t n);

功能：将 ptr 指向的内存区域的前 n 个字节设置为 value（实际按字节填充）。
典型用途：

• 初始化数组为零：memset(arr, 0, sizeof(arr))。
• 设置内存块的特定模式。

注意事项：

• value 的范围应为 0~255（一个字节）。

示例：

char buffer[10];
memset(buffer, 'A', 5); // 前5字节填充为 'A'
memset(buffer + 5, 0, 5); // 后5字节填充为0

1.2 安全版本

1. memcpy_s（C11 标准）
   原型：

#include <string.h> // C11 起支持
errno_t memcpy_s(void* dest, rsize_t dest_size, const void* src, rsize_t src_size);

功能：安全版本的 memcpy，在复制前检查目标缓冲区大小。
参数：

• dest_size：目标缓冲区的总大小（字节）。
• src_size：要复制的字节数（必须 ≤ dest_size 且 ≤ src 的实际大小）。
  返回值：
• 0：成功。
• 非零：失败（如参数无效或缓冲区溢出风险）。

示例：

char dest[10];
const char* src = "Hello";
errno_t err = memcpy_s(dest, sizeof(dest), src, 6); // 包括 '\0'
if (err != 0) { /* 处理错误 */ }

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2. memset_s（C11 标准）
   原型：

errno_t memset_s(void* dest, rsize_t dest_size, int value, rsize_t count);

功能：安全版本的 memset，检查填充范围是否超出目标缓冲区。
规则：

• count（填充字节数）必须 ≤ dest_size。
• 若检测到错误（如 dest 为空或 count 过大），可能触发运行时约束处理函数。

示例：

char buffer[10];
errno_t err = memset_s(buffer, sizeof(buffer), 0, sizeof(buffer)); // 安全清零

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2 字符串函数

2.1 普通版本

1. strcpy - 字符串复制
   原型：

char* strcpy(char* dest, const char* src);

功能：将 src 指向的字符串（含 \0）复制到 dest。
注意事项：

• 高危函数：不检查 dest 的空间是否足够，易导致缓冲区溢出。
• 推荐使用更安全的 strncpy 或 snprintf。

示例：

char src[] = "Hello";
char dest[10];
strcpy(dest, src); // dest 内容为 "Hello\0"

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2. strncpy - 安全字符串复制
   原型：

char* strncpy(char* dest, const char* src, size_t n);

功能：复制 src 的最多前 n 个字符到 dest。
规则：

• 若 src 长度 >= n：复制前 n 个字符，不添加 \0。
• 若 src 长度 < n：复制全部字符并补 \0 至 n 字节。

示例：

char dest[5];
strncpy(dest, "Hello World", sizeof(dest)); 
// dest 内容为 {'H','e','l','l','o'}（无终止符！）

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3. strcat / strncat - 字符串拼接
   原型：

char* strcat(char* dest, const char* src); // 危险：不检查长度
char* strncat(char* dest, const char* src, size_t n); // 安全：限制拼接长度

功能：将 src 字符串拼接到 dest 末尾（覆盖 dest 的 \0）。
注意事项：

• dest 必须足够大以容纳拼接后的结果。
• strncat 会自动添加终止符。

示例：

char dest[20] = "Hello";
strncat(dest, " World!", 7); // dest 变为 "Hello World!\0"

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4. strcmp / strncmp - 字符串比较
   原型：

int strcmp(const char* s1, const char* s2); // 比较整个字符串
int strncmp(const char* s1, const char* s2, size_t n); // 比较前n个字符

返回值：

• 0：字符串内容相同。
• 正/负数：根据 ASCII 码差异决定。

示例：

if (strcmp("apple", "apple") == 0) { /* 相等 */ }
if (strncmp("apple", "app", 3) == 0) { /* 前3字符相同 */ }

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5. strlen - 字符串长度
   原型：

size_t strlen(const char* s);

功能：返回字符串长度（不含 \0）。
注意：若 s 未以 \0 结尾，行为未定义。

示例：

int len = strlen("Hello"); // len = 5

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6. strdup - 字符串复制（动态分配）
   原型：

char* strdup(const char* s); // 非标准但广泛支持

功能：复制字符串到新分配的内存（需手动 free）。
示例：

char* copy = strdup("Hello");
free(copy); // 必须释放内存

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2.2 安全版本

1. strcpy_s（C11 标准）
   原型：

errno_t strcpy_s(char* dest, rsize_t dest_size, const char* src);

功能：安全版本的 strcpy，确保目标缓冲区足够容纳 src（含终止符 \0）。
规则：

• dest_size 必须大于 strlen(src)。
• 若 dest_size 不足，函数会将 dest[0] 设为 \0 并返回错误。

示例：

char dest[6];
errno_t err = strcpy_s(dest, sizeof(dest), "Hello");
if (err != 0) { /* 目标缓冲区过小 */ }

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2. strncpy_s（C11 标准）
   原型：

errno_t strncpy_s(char* dest, rsize_t dest_size, const char* src, rsize_t count);

功能：安全版本的 strncpy，限制复制的字符数并确保目标缓冲区有效性。
规则：

• count 需 ≤ dest_size - 1（为终止符预留空间）。
• 若 src 长度 ≥ count，复制 count 字符并在末尾添加 \0。

示例：

char dest[5];
errno_t err = strncpy_s(dest, sizeof(dest), "Hello World", 4); 
// dest 内容为 "Hell\0"

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3. strcat_s（C11 标准）
   原型：

errno_t strcat_s(char* dest, rsize_t dest_size, const char* src);

功能：安全版本的 strcat，确保拼接后字符串不超过目标缓冲区大小。
规则：

• 剩余空间（dest_size - strlen(dest) - 1）必须 ≥ strlen(src)。

示例：

char dest[12] = "Hello"; // 剩余空间为 6
errno_t err = strcat_s(dest, sizeof(dest), " World!");
if (err == 0) { /* 拼接成功 */ }

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4. strnlen（非 C11，但广泛支持）
   原型：

size_t strnlen(const char* s, size_t maxlen);

功能：安全版本的 strlen，限制最大检查长度以防止未终止字符串导致的越界。
返回值：返回字符串长度（不含 \0），若未找到 \0 则返回 maxlen。

示例：

char s[10] = "Hello";
size_t len = strnlen(s, sizeof(s)); // len = 5

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3 其他安全替代方案

1. snprintf（格式化字符串安全写入）
   原型：

int snprintf(char* dest, size_t size, const char* format, ...);

功能：将格式化字符串写入 dest，最多写入 size-1 个字符，并自动添加 \0。
返回值：成功时返回欲写入的字符数（不含 \0），若空间不足则返回所需字符数（可判断是否需要扩容）。

示例：

char dest[10];
int needed = snprintf(dest, sizeof(dest), "Pi=%.2f", 3.14159);
if (needed >= sizeof(dest)) { /* 缓冲区不足 */ }

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2. 动态内存分配 + strdup（需手动释放）
   原型：

char* strdup(const char* s); // POSIX 标准

功能：复制字符串到新分配的内存（自动计算长度），避免静态缓冲区溢出风险。
注意：需调用 free() 释放内存。

示例：

const char* src = "Dynamic string";
char* dest = strdup(src);
if (dest != NULL) { /* 使用 dest */free(dest); 
}

• 非标准但实用的安全函数

1. strlcpy / strlcat（BSD 扩展）
   原型：

size_t strlcpy(char* dest, const char* src, size_t size); // 复制
size_t strlcat(char* dest, const char* src, size_t size); // 拼接

特点：

• 保证目标字符串以 \0 结尾。
• 返回源字符串长度，便于判断是否截断。
• 广泛用于 Linux/BSD，但 Windows 默认不支持。

示例：

char dest[5];
size_t len = strlcpy(dest, "Hello", sizeof(dest)); // len=5, dest="Hell\0"

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4 注意事项总结

函数	主要风险	安全替代方案
strcpy	缓冲区溢出	strncpy, snprintf
strcat	缓冲区溢出	strncat
memcpy	内存重叠导致未定义行为	memmove
gets	缓冲区溢出（已废弃）	fgets

• 安全函数的使用原则

1. 显式指定缓冲区大小：所有安全版本函数均需传递目标缓冲区大小。
2. 检查返回值：正确处理错误码（如 errno_t 或返回的字符数）。
3. 避免魔法数值：使用 sizeof(buffer) 而非硬编码长度。
4. 编译器支持：需启用 C11 标准（如 GCC 使用 -std=c11）。
5. 跨平台注意：部分安全函数（如 *_s）在非 Windows 环境可能需额外库支持。

场景	危险函数	安全替代方案
字符串复制	strcpy	strcpy_s, snprintf
字符串拼接	strcat	strcat_s, strlcat
内存复制	memcpy	memcpy_s, memmove
用户输入读取	gets	fgets, getline
未初始化内存操作	直接访问指针	calloc, memset_s

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5 最佳实践

1. 优先使用带长度限制的函数（如 strncpy、strncat）。
2. 检查目标内存大小，避免溢出。
3. 处理内存重叠时用 memmove。
4. 动态分配内存后记得释放（如 strdup）。