第四章 数组和指针 (part3) C 风格字符串

< Beawre>:
尽管 C++ 支持 C 风格字符串，但不应该在 C++ 程序中使用这个类型。C 风格字符串常常带来许多错误，是导致大量安全问题的根源。
字符串字面值的类型就是 const char 类型的数组。C++ 从 C 语言继承下来的一种通用结构是C 风格字符串，而字符串字面值就是该类型的实例。
实际上，C 风格字符串既不能确切地归结为 C 语言的类型，也不能归结为 C++ 语言的类型，而是以空字符 null 结束的字符数组：

char ca1[] = {'C', '+', '+'};        // no null, not C-style string
char ca2[] = {'C', '+', '+', '\0'};  // explicit null
char ca3[] = "C++";     // null terminator added automatically
const char *cp = "C++"; // null terminator added automatically
char *cp1 = ca1;   // points to first element of a array, but not C-style string
char *cp2 = ca2;   // points to first element of a null-terminated char array

ca1 和 cp1 都不是 C 风格字符串：ca1 是一个不带结束符 null 的字符数组，而指针 cp1 指向 ca1，因此，它指向的并不是以 null 结束的数组。

其他的声明则都是 C 风格字符串，数组的名字即是指向该数组第一个元素的指针。于是，ca2 和 ca3 分别是指向各自数组第一个元素的指针。

C 风格字符串的使用

C++ 语言通过(const)char*类型的指针来操纵 C 风格字符串。
一般来说，我们使用指针的算术操作来遍历 C 风格字符串，每次对指针进行测试并递增 1，直到到达结束符 null 为止：

const char *cp = "some value";
while (*cp) {
// do something to *cp
++cp;
}

while 语句的循环条件是对 const char* 类型的指针 cp 进行解引用，并判断 cp 当前指向的字符是 true 值还是 false 值。

真值表明这是除 null 外的任意字符，则继续循环直到 cp 指向结束字符数组的 null 时，循环结束。
while 循环体做完必要的处理后，cp 加1，向下移动指针指向数组中的下一个字符。

<Beware>:
如果 cp 所指向的字符数组没有 null 结束符，则此循环将会失败。这时，循环会从 cp 指向的位置开始读数，直到遇到内存中某处 null 结束符为止。

C 风格字符串的标准库函数

表4-1列出了 C 语言标准库提供的一系列处理 C 风格字符串的库函数。要使用这些标准库函数，必须包含相应的 C 头文件：

cstring 是 string.h 头文件的 C++ 版本，而 string.h 则是 C 语言提供的标准库。

<Beware>:
这些标准库函数不会检查其字符串参数。

Table 4.1. C-Style Character String Functions
表 4.1. 操纵 C 风格字符串的标准库函数

strlen(s)	Returns the length of s, not counting the null. 返回 s 的长度，不包括字符串结束符 null
strcmp(s1, s2)	Compares s1 and s2 for equality. Returns 0 if s1 == s2, positive value if s1 > s2, negative value if s1 < s2. 比较两个字符串 s1 和 s2 是否相同。若 s1 与 s2 相等，返回 0；若 s1 大于 s2，返回正数；若 s1 小于 s2，则返回负数
strcat(s1, s2)	Appends s2 to s1. Returns s1. 将字符串 s2 连接到 s1 后，并返回 s1
strcpy(s1, s2)	Copies s2 into s1. Returns s1. 将 s2 复制给 s1，并返回 s1
strncat(s1, s2,n)	Appends n characters from s2 onto s1. Returns s1. 将 s2 的前 n 个字符连接到 s1 后面，并返回 s1
strncpy(s1, s2, n)	Copies n characters from s2 into s1. Returns s1. 将 s2 的前 n 个字符复制给 s1，并返回 s1

#include <cstring>

传递给这些标准库函数例程的指针必须具有非零值，并且指向以 null 结束的字符数组中的第一个元素。

其中一些标准库函数会修改传递给它的字符串，这些函数将假定它们所修改的字符串具有足够大的空间接收本函数新生成的字符，程序员必须确保目标字符串必须足够大。

C++ 语言提供普通的关系操作符实现标准库类型 string 的对象的比较。
这些操作符也可用于比较指向C风格字符串的指针，但效果却很不相同：实际上，此时比较的是指针上存放的地址值，而并非它们所指向的字符串：

if (cp1 < cp2) // compares addresses, not the values pointed to

如果 cp1 和 cp2 指向同一数组中的元素（或该数组的溢出位置），上述表达式等效于比较在 cp1 和 cp2 中存放的地址；
如果这两个指针指向不同的数组，则该表达式实现的比较没有定义。

字符串的比较和比较结果的解释都须使用标准库函数 strcmp 进行：

const char *cp1 = "A string example";
const char *cp2 = "A different string";
int i = strcmp(cp1, cp2);    // i is positive
i = strcmp(cp2, cp1);        // i is negative
i = strcmp(cp1, cp1);        // i is zero

标准库函数 strcmp 有 3 种可能的返回值：若两个字符串相等，则返回 0 值；若第一个字符串大于第二个字符串，则返回正数，否则返回负数。

永远不要忘记字符串结束符 null

在使用处理 C 风格字符串的标准库函数时，牢记字符串必须以结束符 null 结束：

char ca[] = {'C', '+', '+'}; // not null-terminated
cout << strlen(ca) << endl; // disaster: ca isn't null-terminated

在这个例题中，ca 是一个没有 null 结束符的字符数组，则计算的结果不可预料。
标准库函数 strlen 总是假定其参数字符串以 null 字符结束，当调用该标准库函数时，系统将会从实参 ca 指向的内存空间开始一直搜索结束符，直到恰好遇到 null 为止。strlen 返回这一段内存空间中总共有多少个字符，无论如何这个数值不可能是正确的。

调用者必须确保目标字符串具有足够的大小

传递给标准库函数 strcat 和 strcpy 的第一个实参数组必须具有足够大的空间存放新生成的字符串。以下代码虽然演示了一种通常的用法，但是却有潜在的严重错误：

// Dangerous: What happens if we miscalculate the size of largeStr?
char largeStr[16 + 18 + 2];         // will hold cp1 a space and cp2
strcpy(largeStr, cp1);              // copies cp1 into largeStr
strcat(largeStr, " ");              // adds a space at end of largeStr
strcat(largeStr, cp2);              // concatenates cp2 to largeStr
// prints A string example A different string
cout << largeStr << endl;

问题在于我们经常会算错 largeStr 需要的大小。同样地，如果 cp1 或 cp2 所指向的字符串大小发生了变化，largeStr 所需要的大小则会计算错误。不幸的是，类似于上述代码的程序应用非常广泛，这类程序往往容易出错，并导致严重的安全漏洞。

使用 strn 函数处理C风格字符串

如果必须使用 C 风格字符串，则使用标准库函数 strncat 和 strncpy 比 strcat 和 strcpy 函数更安全：

char largeStr[16 + 18 + 2]; // to hold cp1 a space and cp2
strncpy(largeStr, cp1, 17); // size to copy includes the null
strncat(largeStr, " ", 2);  // pedantic, but a good habit
strncat(largeStr, cp2, 19); // adds at most 18 characters, plus a null

使用标准库函数 strncat 和 strncpy 的诀窍在于可以适当地控制复制字符的个数。
特别是在复制和串连字符串时，一定要时刻记住算上结束符 null。在定义字符串时要切记预留存放 null字符的空间，因为每次调用标准库函数后都必须以此结束字符串largeStr。让我们详细分析一下这些标准库函数的调用：

调用 strncpy 时，要求复制 17 个字符：字符串 cp1 中所有字符，加上结束符 null。留下存储结束符 null 的空间是必要的，这样 largeStr 才可以正确地结束。调用strncpy 后，字符串 largeStr 的长度 strlen 值是 16。记住：标准库函数 strlen 用于计算 C 风格字符串中的字符个数，不包括
null结束符。

调用 strncat 时，要求复制 2 个字符：一个空格和结束该字符串字面值的 null。调用结束后，字符串 largeStr 的长度是 17，原来用于结束 largeStr 的 null 被新添加的空格覆盖了，然后在空格后面写入新的结束符 null。

第二次调用 strncat 串接 cp2 时，要求复制 cp2 中所有字符，包括字符串结束符 null。调用结束后，字符串 largeStr 的长度是 35：cp1 的 16 个字符和 cp2 的 18 个字符，再加上分隔这两个字符串的一个空格。

整个过程中，存储 largeStr 的数组大小始终保持为 36（包括结束符）。

只要可以正确计算出 size 实参的值，使用 strn 版本要比没有 size 参数的简化版本更安全。
但是，如果要向目标数组复制或串接比其 size 更多的字符，数组溢出的现象仍然会发生。
如果要复制或串接的字符串比实际要复制或串接的 size 大，我们会不经意地把新生成的字符串截短了。截短字符串比数组溢出要安全，但这仍是错误的。

尽可能使用标准库类型 string

如果使用 C++ 标准库类型 string，则不存在上述问题：

string largeStr = cp1; // initialize large Str as a copy of cp1
largeStr += " ";       // add space at end of largeStr
largeStr += cp2;       // concatenate cp2 onto end of largeStr

此时，标准库负责处理所有的内存管理问题，我们不必再担心每一次修改字符串时涉及到的大小问题。
<Note>:
对大部分的应用而言，使用标准库类型 string，除了增强安全性外，效率也提高了，因此应该尽量避免使用 C 风格字符串。

创建动态数组

数组类型的变量有三个重要的限制：数组长度固定不变，在编译时必须知道其长度，数组只在定义它的块语句内存在。

实际的程序往往不能忍受这样的限制——它们需要在运行时动态地分配数组。虽然数组长度是固定的，但动态分配的数组不必在编译时知道其长度，可以（通常也是）在运行时才确定数组长度。
与数组变量不同，动态分配的数组将一直存在，直到程序显式释放它为止。

每一个程序在执行时都占用一块可用的内存空间，用于存放动态分配的对象，此内存空间称为程序的自由存储区或堆。
C 语言程序使用一对标准库函数 malloc 和 free 在自由存储区中分配存储空间。
而 C++ 语言则使用 new 和 delete 表达式实现相同的功能。

动态数组的定义
数组变量通过指定类型、数组名和维数来定义。而动态分配数组时，只需指定类型和数组长度，不必为数组对象命名，new 表达式返回指向新分配数组的第一个元素的指针：

int *pia = new int[10]; // array of 10 uninitialized ints

此 new 表达式分配了一个含有 10 个 int 型元素的数组，并返回指向该数组第一个元素的指针，此返回值初始化了指针 pia。
new 表达式需要指定指针类型以及在方括号中给出的数组维数，该维数可以是任意的复杂表达式。
创建数组后，new 将返回指向数组第一个元素的指针。
在自由存储区(堆)中创建的数组对象是没有名字的，程序员只能通过其地址间接地访问堆中的对象。
初始化动态分配的数组
动态分配数组时，如果数组元素具有类类型，将使用该类的默认构造函数实现初始化；如果数组元素是内置类型，则无初始化：

string *psa = new string[10]; // array of 10 empty strings
int *pia = new int[10];       // array of 10 uninitialized ints

这两个 new 表达式都分配了含有 10 个对象的数组。其中第一个数组是 string 类型，分配了保存对象的内存空间后，将调用 string 类型的默认构造函数依次初始化数组中的每个元素。第二个数组则具有内置类型的元素，分配了存储 10 个 int 对象的内存空间，但这些元素没有初始化。
也可使用跟在数组长度后面的一对空圆括号，对数组元素做值初始化：

int *pia2 = new int[10] (); // array of 10 uninitialized ints

圆括号要求编译器对数组做值初始化，在本例中即把数组元素都设置为0。
<Note>:
对于动态分配的数组，其元素只能初始化为元素类型的默认值，而不能像数组变量一样，用初始化列表为数组元素提供各不相同的初值。


const 对象的动态数组



如果我们在自由存储区中创建的数组存储了内置类型的 const 对象，则必须为这个数组提供初始化：
因为数组元素都是 const 对象，无法赋值。实现这个要求的唯一方法是对数组做值初始化：

// error: uninitialized const array
const int *pci_bad = new const int[100];
// ok: value-initialized const array
const int *pci_ok = new const int[100]();

C++ 允许定义类类型的 const 数组，但该类类型必须提供默认构造函数：

// ok: array of 100 empty strings
const string *pcs = new const string[100];

在这里，将使用 string 类的默认构造函数初始化数组元素。
当然，已创建的常量元素不允许修改——因此这样的数组实际上用处不大。

允许动态分配空数组
之所以要动态分配数组，往往是由于编译时并不知道数组的长度。我们可以编写如下代码

size_t n = get_size(); // get_size returns number of elements needed
int* p = new int
;
for (int* q = p; q != p + n; ++q)
/* process the array */ ;

计算数组长度，然后创建和处理该数组。
有趣的是，如果 get_size 返回 0 则会怎么样？答案是：代码仍然正确执行。
C++ 虽然不允许定义长度为 0 的数组变量，但明确指出，调用 new 动态创建长度为 0 的数组是合法的：

char arr[0];            // error: cannot define zero-length array
char *cp = new char[0]; // ok: but cp can't be dereferenced

用 new 动态创建长度为 0 的数组时，new 返回有效的非零指针。
该指针与 new 返回的其他指针不同，不能进行解引用操作，因为它毕竟没有指向任何元素。
而允许的操作包括：比较运算，因此该指针能在循环中使用；在该指针上加（减）0；或者减去本身，得 0 值。
在上述例题中，如果 get_size 返回 0，则仍然可以成功调用 new，但是 p 并没有指向任何对象，数组是空的。因为 n 为 0，所以 for 循环实际比较的是 p 和 q，而 q 是用 p 初始化的，两者具有相等的值，因此 for 循环条件不成立，循环体一次都没有执行。
动态空间的释放
动态分配的内存最后必须进行释放，否则，内存最终将会逐渐耗尽。
如果不再需要使用动态创建的数组，程序员必须显式地将其占用的存储空间返还给程序的自由存储区。
C++ 语言为指针提供 delete [] 表达式释放指针所指向的数组空间：

delete [] pia;

该语句回收了 pia 所指向的数组，把相应的内存返还给自由存储区。
在关键字 delete 和指针之间的空方括号对是必不可少的：它告诉编译器该指针指向的是自由存储区中的数组，而并非单个对象。
<Beawre>:
如果遗漏了空方括号对，这是一个编译器无法发现的错误，将导致程序在运行时出错。

理论上，回收数组时缺少空方括号对，至少会导致运行时少释放了内存空间，从而产生内存泄漏（memory leak）。对于某些系统和/或元素类型，有可能会带来更严重的运行时错误。因此，在释放动态数组时千万别忘了方括号对。

C 风格字符串与 C++ 的标准库类型 string 的比较

以下两段程序反映了使用 C 风格字符串与 C++ 的标准库类型 string 的不同之处。

使用 string 类型的版本更短、更容易理解，而且出错的可能性更小：

// C-style character string implementation
const char *pc = "a very long literal string";
const size_t len = strlen(pc +1);      // space to

// performance test on string allocation and copy
for (size_t ix = 0; ix != 1000000; ++ix) {
char *pc2 = new char[len + 1]; // allocate the space
strcpy(pc2, pc);               // do the copy
if (strcmp(pc2, pc))           // use the new string
;   // do nothing
delete [] pc2;                 // free the memory
}
// string implementation
string str("a very long literal string");
// performance test on string allocation and copy
for (int ix = 0; ix != 1000000; ++ix)

{
string str2 = str; // do the copy, automatically

if (str != str2)           // use the new string
;  // do nothing
}
// str2 is

动态数组的使用
通常是因为在编译时无法知道数组的维数，所以才需要动态创建该数组。
例如，在程序执行过程中，常常使用char*指针指向多个C风格字符串，于是必须根据每个字符串的长度实时地动态分配存储空间。
采用这种技术要比建立固定大小的数组安全。
如果程序员能够准确计算出运行时需要的数组长度，就不必再担心因数组变量具有固定的长度而造成的溢出问题。
假设有以下C风格字符串：

const char *noerr = "success";
// ...
const char *err189 = "Error: a function declaration must "
"specify a function return type!";

我们想在运行时把这两个字符串中的一个复制给新的字符数组，于是可以用以下程序在运行时计算维数：

const char *errorTxt;
if (errorFound)
errorTxt = err189;
else
errorTxt = noerr;
// remember the 1 for the terminating null
int dimension = strlen(errorTxt) + 1;
char *errMsg = new char[dimension];
// copy the text for the error into errMsg
strncpy (errMsg, errorTxt, dimension);

别忘记标准库函数 strlen 返回的是字符串的长度，并不包括字符串结束符，在获得的字符串长度上必须加 1 以便在动态分配时预留结束符的存储空间。

新旧代码的兼容

许多 C++ 程序在有标准类之前就已经存在了，因此既没有使用标准库类型 string 也没有使用 vector。
而且，许多 C++ 程序为了兼容现存的 C 程序，也不能使用 C++ 标准库。
因此，现代的 C++ 程序经常必须兼容使用数组和／或 C 风格字符串的代码，标准库提供了使兼容界面更容易管理的手段。
混合使用标准库类 string 和 C 风格字符串
可用字符串字面值初始化 string 类对象：

string st3("Hello World");  // st3 holds Hello World

通常，由于 C 风格字符串与字符串字面值具有相同的数据类型，而且都是以空字符 null 结束，因此可以把 C 风格字符串用在任何可以使用字符串字面值的地方：

可以使用 C 风格字符串对 string 对象进行初始化或赋值。

string 类型的加法操作需要两个操作数，可以使用 C 风格字符串作为其中的一个操作数，也允许将 C 风格字符串用作复合赋值操作的右操作数。

反之则不成立：在要求C风格字符串的地方不可直接使用标准库 string 类型对象。例如，无法使用 string 对象初始化字符指针：

char *str = st2; // compile-time type error

但是，string 类提供了一个名为 c_str 的成员函数，以实现我们的要求：

char *str = st2.c_str(); // almost ok, but not quite

c_str 函数返回 C 风格字符串，其字面意思是：“返回 C 风格字符串的表示方法”，即返回指向字符数组首地址的指针，该数组存放了与 string 对象相同的内容，并且以结束符 null 结束。
如果 c_str 返回的指针指向 const char 类型的数组，则上述初始化失败，这样做是为了避免修改该数组。正确的初始化应为：

const char *str = st2.c_str(); // ok

c_str 返回的数组并不保证一定是有效的，接下来对 st2 的操作有可能会改变 st2 的值，使刚才返回的数组失效。
如果程序需要持续访问该数据，则应该复制 c_str 函数返回的数组。

使用数组初始化 vector 对象
不能用一个数组直接初始化另一数组，程序员只能创建新数组，然后显式地把源数组的元素逐个复制给新数组。
这反映 C++ 允许使用数组初始化 vector 对象，尽管这种初始化形式起初看起来有点陌生。
使用数组初始化 vector 对象，必须指出用于初始化式的第一个元素以及数组最后一个元素的下一位置的地址：

const size_t arr_size = 6;
int int_arr[arr_size] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
// ivec has 6 elements: each a copy of the corresponding element in int_arr
vector<int> ivec(int_arr, int_arr + arr_size);

传递给 ivec 的两个指针标出了 vector 初值的范围。第二个指针指向被复制的最后一个元素之后的地址空间。被标出的元素范围可以是数组的子集：

// copies 3 elements: int_arr[1], int_arr[2], int_arr[3]
vector<int> ivec(int_arr + 1, int_arr + 4);

这个初始化创建了含有三个元素的 ivec，三个元素的值分别是 int_arr[1] 到 int_arr[3] 的副本。