OI-Wiki 字符串标准库函数全解析：C 字符数组函数与 C++ std::string 常用操作速查

OI-Wiki 字符串标准库函数全解析：C 字符数组函数与 C++ std::string 常用操作速查

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导读

在 OI / ICPC 竞赛与日常算法开发中，字符串处理是最基础也最高频的操作之一。本篇文章以 OI-Wiki 的 lib-func.md 为主体，系统梳理 C 标准库（<string.h>/<cstring>）中操作字符数组的核心函数，以及 C++ 标准库std::string的常用成员函数，并结合仓库内 string 类文档、字符串基础定义 与 哈希示例源码 进行原理级扩充。读完本文，你将能够：快速查阅每个字符串函数的签名、行为边界与复杂度；避开strlen进循环、size_t与负数比较、strcmp返回值误解等经典坑；在竞赛代码中正确选择字符数组或std::string完成读入、拼接、查找、截取、替换与删除。

一、两种字符串表示：字符数组与 string 类

在进入函数细节之前，先明确本文操作的两类对象。OI-Wiki 的 字符串基础篇 给出了规范定义：

• 字符串是将 $n$ 个字符顺次排列形成的序列，$n$ 称为字符串长度；
• 字符串的存储方式有三种：用char数组存储并以空字符'\0'结尾（C 风格字符串）、使用 C++ 标准库std::string类、以及用双引号括起来的字符串字面量。

C 标准库函数面向的是字符数组char[]/const char*；C++ 标准库std::string面向的是字符串对象，同时向下兼容字符数组。两者互补，竞赛中经常混用（例如用s.c_str()把std::string交给printf输出）。

二、C 标准库：字符数组操作函数详解

C 标准库操作字符数组char[]/const char*，对应头文件为 C 语言的<string.h>或 C++ 中的<cstring>。以下是 OI-Wiki 列出的全部常用函数。

2.1 格式化输入输出：printf / scanf / sprintf / sscanf

• printf("%s", s)：用%s输出一个字符串（字符数组）。注意传入的是数组首地址，输出到第一个'\0'为止。
• scanf("%s", &s)：用%s读入一个字符串（字符数组）。scanf以空白字符（空格、换行、制表符）为分隔符，因此它无法读入含空格的字符串；若需要读入一行含空格的文本，应改用gets或 C++ 的std::getline。仓库中大量示例代码采用std::cin读入后再处理，例如 prefix-sum_1.cpp 中std::cin >> a[i]的常规用法。
• sscanf(const char *__source, const char *__format, ...)：从字符串__source中按格式读取变量。例如sscanf(str, "%d", &a)会把字符串str解析出的整数写入a。这在解析"数字以字符串形式给出"的题目时非常实用。
• sprintf(char *__stream, const char *__format, ...)：将格式化内容输出到字符数组__stream中。例如sprintf(str, "%d", i)把整数i转成字符串存入str。使用时要确保目标数组容量足够，否则会产生缓冲区溢出；C11 提供了更安全的snprintf可指定写入上限。

2.2 长度与比较：strlen / strcmp

• strlen(const char *str)：返回从str[0]开始直到'\0'为止的字符数。关键注意点：未开启 O2 优化时，如果把它写在循环条件中（如for (int i = 0; i < strlen(s); ++i)），每次迭代都会重新调用strlen扫描整串，使整体复杂度退化为 $\Theta(N^2)$；而strlen本身的复杂度是 $\Theta(N)$，因此应提前将长度存入变量。OI-Wiki 在 hash_1.cpp 中正是先int len = strlen(str);再进入循环，就是这一原则的实践。
• strcmp(const char *str1, const char *str2)：按照字典序比较两个字符串：若str1字典序更小返回负值，两者相同返回0，str1更大则返回正值。常见误区：不要认为返回值只有0、1、-1三种——不同平台下的实现返回值都遵循"正负零"语义，但具体数值未必是1或-1。因此正确用法是只判断< 0、== 0、> 0，而不是与1、-1直接比较。

字典序的定义参见 basic.md：以第 $i$ 个字符作为第 $i$ 关键字进行大小比较，且空字符小于字符集内任何字符（即a < aa）。strcmp正是按此规则比较的。

2.3 复制：strcpy / strncpy

• strcpy(char *str, const char *src)：把src中的字符（含结尾的空终止符'\0'）复制到str中，str与src均为字符数组头指针，返回值为str。安全提示：strcpy不检查目标数组容量，目标空间不足时会越界写；竞赛数据规模大或字符串长时尤其要注意预分配足够大的数组。
• strncpy(char *str, const char *src, int cnt)：至多复制cnt个字符到str中。若src提前终止而数量未达cnt，则继续向str写入空字符，直到总共写入cnt个字符。注意：当src长度恰好不小于cnt时，strncpy不会自动补'\0'，此时str可能不是以空字符结尾的合法 C 字符串，使用printf("%s")前需手动在str[cnt]处置'\0'。

2.4 拼接与查找：strcat / strstr / strchr / strrchr

• strcat(char *str1, const char *str2)：把str2接到str1的结尾，用str2的首字符替换掉str1末尾的'\0'，返回str1。同样存在缓冲区溢出风险，且要求str1有足够剩余空间。
• strstr(char *str1, const char *str2)：若str2是str1的子串，返回str2在str1中首次出现位置的地址；否则返回NULL。常用于判断包含关系与定位子串起点。
• strchr(const char *str, int c)：返回字符c在字符串str中第一次出现的位置地址；找不到则返回NULL。
• strrchr(const char *str, int c)：返回字符c在字符串str中最后一次出现的位置地址；找不到则返回NULL。

实现提示：从源码结构看，这些函数都依赖'\0'作为终止标记，因此传入的字符数组必须保证以空字符结尾，否则会越界扫描。

2.5 C 函数速查总表

三、C++ 标准库：std::string 对象操作详解

C++ 标准库操作字符串对象std::string（定义于<string>头文件，本质是std::basic_string<char>的别名），同时也提供对字符数组的兼容。本节结合 string 类文档 中的示例与输出逐项展开。

3.1 拼接、赋值与访问

• 重载加法运算符+：当+两边是string/char/char[]/const char*类型时，将两个变量连接，返回拼接后的新字符串。这是std::string相比字符数组最大的便利——C 风格拼接必须手动保证空间并调用strcat。
• 赋值运算符=：右侧可以是const string/string/const char*/char*。string支持动态分配空间，因此无需像字符数组那样预知字符串长度；对应代价是std::cin输入string的速度比scanf慢，可用cin.tie(nullptr)->sync_with_stdio(false)加速（见 hash_1.cpp）。
• 访问运算符[cur]：返回cur位置的引用，因此可以读写，如s[0] = 'A'。
• 访问函数data()/c_str()：返回一个指向相同内容的const char*指针。C++11 之前c_str()保证末尾有空字符而data()不保证；C++11 起两者行为一致。典型用法是交给printf输出：

printf("%s", s); // 不能保证编译通过，行为未定义 printf("%s", s.data()); // C++11 前行为未定义，C++11 后正确输出 printf("%s", s.c_str()); // 一定能够正确输出

3.2 容量与长度：size / length

• 容量函数size()：返回字符串的字符个数；同义的还有length()。

printf("s 的长度为 %zu", s.size()); printf("s 的长度为 %zu", s.length()); printf("s 的长度为 %zu", strlen(s.c_str()));

• 复杂度：strlen(s.c_str())一定是与字符串长度线性相关的；size()和length()的复杂度在 C++98 标准中未指定，在C++11 中被指定为常数复杂度，且在常见编译器上即使是 C++98 也是常数。
• 类型警告：这三个函数（以及后文find）的返回值类型都是size_t（unsigned long）。size_t是无符号类型，不支持直接与负数比较或运算，需要时请显式强制转换（如(int)s.find('a')）。

3.3 查找：find / rfind

• find(ch, start = 0)：查找并返回从start开始（含start）第一次出现字符/字符串ch的位置（从0计数）；找不到时返回string::npos（定义为-1，但类型仍是size_t）。注意原文档指出"返回-1"指的是npos的取值，直接以size_t打印会得到巨大的无符号数。
• rfind(ch)：从末尾向前查找，返回第一个找到的位置（从0计数）；找不到同样返回string::npos。

示例与输出（来自 string.md）：

string s = "OI Wiki", t = "OI", u = "i"; int pos = 5; printf("字符 I 在 s 的 %lu 位置第一次出现\n", s.find('I')); printf("字符 a 在 s 的 %lu 位置第一次出现\n", s.find('a')); printf("字符 a 在 s 的 %d 位置第一次出现\n", s.find('a')); printf("字符串 t 在 s 的 %lu 位置第一次出现\n", s.find(t)); printf("在 s 中自 pos 位置起字符串 u 第一次出现在 %lu 位置", s.find(u, pos));

字符 I 在 s 的 1 位置第一次出现 字符 a 在 s 的 18446744073709551615 位置第一次出现 // 即为 size_t(-1)，具体数值与平台有关 字符 a 在 s 的 -1 位置第一次出现 // 强制转换为 int 类型则正常输出 -1 字符串 t 在 s 的 0 位置第一次出现 在 s 中自 pos 位置起字符串 u 第一次出现在 6 位置

实战建议：判断是否存在时写if (s.find(x) != string::npos)，而不是if (s.find(x) != -1)，后者在无符号比较下会产生与平台相关的怪异行为。

3.4 截取子串：substr

• substr(start, len)：从start（从0计数）开始截取长度为len的子串；缺省len时截取到字符串末尾；若从start开始的后缀长度不足len，则截取整个后缀（不会越界报错）。返回类型是新的string，可以用c_str()交给printf。

示例与输出：

string s = "OI Wiki", t = "OI"; printf("从字符串 s 的第四位开始的最多三个字符构成的子串是 %s\n", s.substr(3, 3).c_str()); printf("从字符串 t 的第二位开始的最多三个字符构成的子串是 %s", t.substr(1, 3).c_str());

从字符串 s 的第四位开始的最多三个字符构成的子串是 Wik 从字符串 t 的第二位开始的最多三个字符构成的子串是 I

3.5 追加：append

• append(s)：将字符串s整体添加到当前字符串末尾。
• append(s, pos, n)：将字符串s中从pos开始的n个字符连接到当前字符串末尾。适用于只取源串一部分追加的场景。

3.6 替换：replace

• replace(pos, n, s)：删除从pos开始的n个字符，然后在pos处插入串s（替换总长度不受限制，结果可能变长或变短）。

示例与输出：

string s = "OI Wiki"; s.replace(2, 5, ""); printf("将字符串 s 的第 3~7 位替换为空串后得到的字符串是 %s\n", s.c_str()); s.replace(s.begin(), s.begin() + 2, "NOI"); printf("将字符串 s 的前两位替换为 NOI 后得到的字符串是 %s", s.c_str());

将字符串 s 的第 3~7 位替换为空串后得到的字符串是 OI 将字符串 s 的前两位替换为 NOI 后得到的字符串是 NOI

除replace(pos, count, str)外，std::string还提供迭代器版本replace(first, last, str)，用[first, last)区间（first含、last不含）指定被替换范围，上例第二句即使用了迭代器形式。迭代器版本配合begin() + k可以精确表达"删除前 k 个字符"这类需求。

3.7 删除：erase

• erase(pos, n)：删除从pos开始的n个字符；缺省n时删除pos位置及其之后的所有字符（等价于"截断"）。

示例与输出：

string s = "OI Wiki", t = " Wiki"; char u = '!'; s.erase(2); printf("从字符串 s 的第三位开始删去所有字符后得到的字符串是 %s\n", s.c_str()); s.insert(2, t); printf("在字符串 s 的第三位处插入字符串 t 后得到的字符串是 %s\n", s.c_str()); s.insert(7, 3, u); printf("在字符串 s 的第八位处连续插入 3 次字符串 u 后得到的字符串是 %s", s.c_str());

从字符串 s 的第三位开始删去所有字符后得到的字符串是 OI 在字符串 s 的第三位处插入字符串 t 后得到的字符串是 OI Wiki 在字符串 s 的第八位处连续插入 3 次字符串 u 后得到的字符串是 OI Wiki!!!

3.8 插入：insert

• insert(pos, s)：在pos位置插入字符串s。
• 更通用的形式insert(index, count, ch)：在index处连续插入count次字符ch（如上例的s.insert(7, 3, u)即在第 8 位连续插入 3 个'!'）。注意index从0计数，插入位置即"下标为 index 的字符之前"。

3.9 比较运算：重载的关系运算符

std::string重载了全部比较逻辑运算符（<、>、<=、>=、==、!=），按字典序比较，复杂度为 $\Theta(N)$。这使得string可以直接交给std::sort对若干字符串按字典序排序，也可以直接用于std::map/std::set的键。

四、std::string 成员速查总表

五、竞赛实战要点与常见误区

5.1 字符数组 vs std::string 的选择

• 追求极致速度、需要自行管理内存的底层场景，用char[]+ C 库函数；
• 追求开发效率、字符串长度不确定或需要频繁拼接/查找的场景，用std::string；
• 两者可以无缝衔接：s.c_str()把string交给 C 函数，string(str)把字符数组包装成string。仓库示例 hash_1.cpp 同时使用了两者——用char s[L]存原始串、strlen取长度，同时把哈希值存进vector<int>，正是"C 速度 + C++ 便利"的典型组合。

5.2 六个最容易踩的坑

1. strlen写进循环条件：未开 O2 时每次迭代 $\Theta(N)$ 扫描，整体退化为 $\Theta(N^2)$。务必int len = strlen(s);先存变量。
2. strcmp返回值当±1用：标准只保证"负/零/正"三态，不同平台返回的具体数值不同，只与0比较符号。
3. size_t与负数比较：find、size返回size_t，与-1比较或用%d打印都会出错。判空用npos，打印需强转int。
4. strcpy/strcat越界：C 函数不检查容量，目标数组需预先分配足够空间。
5. strncpy不自动补'\0'：当源串长度不小于cnt时，结果串可能没有空字符结尾。
6. scanf("%s")读不了空格：遇空白即停止；需要读整行时改用std::getline或逐字符读入。

5.3 复杂度速记

• strlen、strcmp、strcat、strstr朴素实现均为线性或线性相关（$O(N)$ 或 $O(NM)$，随实现而异）；
• std::string的size()/length()：C++11 起常数复杂度；
• find/rfind：实现为线性扫描，$O(N)$；
• substr、replace、erase、insert：需复制受影响区间，线性复杂度，频繁操作长串时注意常数开销；
• std::string的关系运算符比较：$\Theta(N)$。

六、延伸阅读

• 更完整的字符串术语体系（字符集、子串、后缀、前缀、字典序、回文串、汉明距离）见 docs/string/basic.md；
• std::string的设计动机、动态扩容与data()/c_str()在 C++11 前后的差异详解见 docs/lang/csl/string.md；
• 基于字符数组与哈希实现的完整竞赛示例见 docs/string/code/hash/hash_1.cpp；
• 后续进阶算法（KMP、AC 自动机、后缀数组、后缀自动机等）可继续阅读 docs/string 目录下的对应文档。

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