C++ 字符数组

C++字符数组

字符数组是C++中用于存储字符序列的基础数据结构，本质上是将多个字符按顺序存储在连续内存中。由于C++兼容C风格字符串，字符数组在文本处理、文件操作和底层系统编程中广泛应用。本章将详细介绍字符数组的声明、初始化、操作以及与字符串的关系。

基本概念

字符数组是元素类型为char的一维数组，其特殊之处在于可以表示C风格字符串——以空字符\0结尾的字符序列。例如：

char greeting[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}; // 显式包含终止符

等价于：

char greeting[] = "Hello"; // 编译器自动添加\0

内存布局

graph LR A[0: 'H'] --> B[1: 'e'] B --> C[2: 'l'] C --> D[3: 'l'] D --> E[4: 'o'] E --> F[5: '\0']

声明与初始化

字符数组有多种初始化方式：

初始化方法对比

方式	示例	说明
逐个字符初始化	char arr[4] = {'A', 'B', 'C', '\0'};	需手动添加终止符
字符串字面量	char arr[] = "ABC";	自动添加\0（大小为4）
部分初始化	char arr[5] = "Hi";	剩余元素填充\0

常用操作

输入输出

#include <iostream>
using namespace std;

int main() {
    char name[50];
    cout << "Enter your name: ";
    cin >> name;  // 输入"Alice"
    cout << "Hello, " << name;  // 输出"Hello, Alice"
    return 0;
}

标准库函数

C++通过<cstring>头文件提供操作函数：

常用字符串函数

函数	作用	示例
strlen()	获取长度	strlen("ABC") → 3
strcpy()	字符串复制	strcpy(dest, src)
strcat()	字符串连接	strcat(s1, s2)

与string类的对比

字符数组 vs std::string

特性	字符数组	std::string
内存管理	手动分配	自动调整
安全性	可能缓冲区溢出	边界检查
操作复杂度	O(n)	通常O(1)

实际应用案例

文件路径处理

#include <fstream>
using namespace std;

int main() {
    char filepath[256] = "/home/user/data.txt";
    ifstream file(filepath);
    // 文件操作...
    return 0;
}

加密算法实现

void caesarCipher(char text[], int shift) {
    for (int i = 0; text[i] != '\0'; ++i) {
        if (isalpha(text[i])) {
            char base = islower(text[i]) ? 'a' : 'A';
            text[i] = (text[i] - base + shift) % 26 + base;
        }
    }
}

注意事项

• 缓冲区溢出风险：char arr[5]; cin >> arr; 输入超长会导致崩溃
• 未终止字符串：忘记\0可能引发未定义行为
• 内存浪费：固定大小数组可能分配过多空间

高级技巧

多维字符数组

用于存储字符串集合：

const char* colors[3] = {"Red", "Green", "Blue"};
// 等效于：
char colors[3][6] = {"Red", "Green", "Blue"};

指针运算

字符数组名可视为指针：

char str[] = "Hello";
char* p = str + 1;  // 指向'e'

数学表示

字符数组可视为有限字符序列： 解析失败 (语法错误): {\displaystyle S = \{s_0, s_1, ..., s_{n-1}, \0\} \quad \text{其中} \quad s_i \in \text{ASCII集} }

总结

字符数组是C++底层文本处理的核心工具，虽然现代C++更推荐使用std::string，但在以下场景仍需字符数组：

• 与C语言API交互
• 内存受限环境
• 需要直接操作内存的算法实现

掌握字符数组对于理解C++内存模型和字符串处理机制至关重要。