國立屏東大學 資訊工程學系 C++程式設計入門教材
字串(String)可以說是我們最熟悉、同時卻也最為陌生的主題。打從一開始的「Hello C++!」程式,我們就已經在程式中使用了字串,但直到現在,本章才要開始為你詳細地說明字串。這是因為在C++語言中的字串是由在記憶體中一塊連續空間中的多個字元所組成,這牽涉到了陣列與指標等主題,所以一直到現在才有足夠的基礎為你介紹字串。本章將從字串常值(String Literal)開始、就字串變數、字串的輸入與輸出、相關的函式、字串陣列以及命令列引數等主題逐一進行介紹。另外,做為一個物件導向的程式語言,C++也幫我們事件設計好了一個string類別,本章也將簡介其使用方法。
所謂的字串(String)是指一些字元的集合,例如“Hello”這個用雙引號框起來的字元集合就是一個字串。在C++語言中,這種用雙引號框起來的字串又稱為字串常值(String Literals),我們已經在過去許多範例中使用過。每個在程式中的字串常值,將會自動配置到某塊連續的記憶體空間,其中存放組成該字串的多個字元以及一個特殊的字元'\0'。'\0'通常又被稱做「空字元(Null character)」,放在字串末端做為結尾。
要特別、特別注意的是,字串常值的內容是不可以被更改的!!!
請參考figure 1,其中顯示了一個包含有“Hello”字串的記憶體空間,並以'\0'做為字串的結束。
當然,你也可以figure 2來思考這個在記憶體中的字串常值。
下面這個程式,以指標來檢視儲存在記憶體中的字串常值,請將它加以編譯並執行看看其結果為何。
#include <iostream> using namespace std; int main() { char *p; char *q; int i; p="Hello"; q=p; cout << p << endl; for(i=0;i<6;i++) { cout << *q << " = " << (int)*q << " at " << (void *)q << endl; q++; } return 0; }
上面這個程式使用一個迴圈逐一地將字串裡的每個字元、其對應的ASCII數值,以及其所配置到的記憶體位址加以輸出。然而為了要能夠將資料以正確的型態輸出,所以在此使用了兩次的強制型態轉換:
(void *)是什麼?
(void *)是強制的型態轉換,用來將一個數值視為指標,但是是不具型態的指標 — 意即,我們不知道(或不想知道)該記憶體位址裡所存放的到底是什麼樣型態的資料。由於此處我們想要輸出的是“那個記憶體位址”,而不是“在那個記憶體位址裡面的東西”,所以其型態並不重要,我們它強制轉型為(void *) — 無型態指標,也就是一個記憶體位址。另外,如果不做型態轉換的話,cout會把“餵”給它的記憶體位址視為字串,它會將裡面的字元逐一輸出直到遇到'\0'為止。
此程式的執行結果如下:
Hello H = 72 at 0x100f5fef0 e = 101 at 0x100f5fef1 l = 108 at 0x100f5fef2 l = 108 at 0x100f5fef3 o = 111 at 0x100f5fef4 = 0 at 0x100f5fef5
你可以從最後一行的輸出結果看到'\0'的存在… 等等我沒看到啊!
因為'\0'是一個不可視字元,所以當然用“眼睛”是看不到的,但是用“心”看,有沒有看到我們所印出的ASCII數值?沒錯,'\0'的整數值為0。
當然,經過上述的說明,可能你已經想到也可以使用陣列來處理字串,請參考下面的程式:
#include <iostream> using namespace std; int main() { int i; for(i=0;i<6;i++) { // 1 2 3 cout << "Hello"[i] << " = " << (int)"Hello"[i] << " at " << (void *)&"Hello"[i] << endl; } return 0; }
前述程式中,“Hello”被當成一個陣列來使用。其中第11行出現過三次“Hello”字串常值。原則上,在程式碼中,每出現一次字串常值,編譯器就會自動為其配置一個適當的記憶體空間;可是若是內容完全相同的字串常值,編譯器也會有智慧地不再重覆地配置空間。
過去從C語言開始,就有兩種方式來宣告並處理字串變數:其一為陣列,其二為指標,直到後來的C++語言仍然可以使用。
嚴格來講,其實不應該稱為字串“變數”,因為所謂變數存放的是單一數值,字串是由多個字元值所組成,並不符合變數的定義。正確的說法應該是“字元陣列”或“字元指標”,本章後續將繼續加以說明。不過,放輕鬆一點,很多時候大家還是習慣用比較通俗的說法~~ 稱呼為字串變數的人還是蠻多的啦!
若我們要宣告一個可儲存或操作含有10個字元的字串變數str,那麼我們可以使用下面的宣告:
char str[11];
這是因為考慮到字串必須以'\0'結尾。通常,我們會利用下面的方法來宣告一個字串:
#define STR_LEN 80 char str[STR_LEN + 1];
我們也可以在宣告字串變數的同時,給定其初始值,例如:
char str[6] = "Hello";
就如同figure 2所顯示的一樣,C++語言的編譯器會自動在其後幫我們增加一個'\0'做為結束的標記。上述的宣告等同於下列的程式碼:
char str[6] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'};
但是,如果我們的陣列宣告過大,所給的初始值不夠時又會如何呢?
C++語言的編譯器會在其不足處皆補上'\0',因此,以下兩行程式碼是等價的:
char str[7] = "Hello"; char str[7] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0', '\0'};
如果情況反過來,初始值超過陣列的大小那又會如何?在這種情況下,C++無法幫我們在字串結束處補上'\0',因此有可能在未來的操作上出現問題,請參考下面的程式:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char str[5]="Hello"; cout << str; return 0; }
請試試看編譯後執行的結果如何,再試著將str[5]改成str[4]看看會發生什麼事。有些版本的C++語言編譯器會幫我們處理好這個問題,但有的不會,最好的解決方法是不要犯這種錯誤,或是改用以下的宣告方法,讓C++語言的編譯器自動幫我們處理好陣列的大小問題:
char str[] = "Hello";
我們也可以用指標的方式,來進行字串變數的宣告,例如:
char *strP = "World";
但是要注意,此處所宣告的char字元指標strP將會指向“World”字串常值。請參考下面的程式:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char strA[]="Hello"; char *strP = "World"; cout << strA << " " << strP << endl; strA[0]='h'; *strP='w'; cout << strA << " " << strP << endl; return 0; }
以char strA[]=“Hello”宣告的字串,其“Hello”只是被當成是陣列的初始值,編譯器還是在記憶體內建立了一個連續的空間,用以存放在該字串中的字元;可是char *strP=“World”;在編譯的過程中,它會先在記憶體內產生一個“World”的字串常值,然後讓指標strP指向該字串常值所在的地方。由於字串常值是不可更改內容的,因此未來strP='w';的操作會在執行時發生錯誤。
在C++語言裡,你可以使用cout輸出串流,並搭配相關的函式或串流操控子來進行字串的輸出,請參考以下的程式:
#include <iostream> using namespace std; #include <iomanip> int main() { char str[] = "Hello World"; cout << str << endl; cout.fill('.'); cout << setw(20) << str << endl; cout << left << setw(20) << str << endl; return 0; }
我們可以cin取得使用者輸入的字串,請參考下例:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char name[20]; cout << "Please input your name: "; cin >> name; cout << "Hello, " << name << endl; return 0; }
此程式的執行結果如下:
[14:32 user@ws home] ./a.out Please input your name: Jack Hello, Jack [14:32 user@ws home]
看起來沒問題,但如果我們輸入的名字中含有空白字元,其結果將不正確,例如:
[14:32 user@ws home] ./a.out Please input your name: Jack Lin Hello, Jack [14:32 user@ws home]
注意到了嗎?那個空白字元及其後的Lin都不見了。其實cin是istream的一個物件,你可以使用它的函式來取得字串,例如get()或getline(),它們可以取得使用者的輸入直到遇到換行為止,我們以cin.getline()為例,改寫上述程式如下:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char name[20]; cout << "Please input your name:"; cin.getline(name, 20); cout << "Hello, " << name << endl; return 0; }
使用getline()方法需要兩個引數,第一個是存放輸入的字串,第二個則為字串的長度(最後一個字元存放'\0')。要注意getline()會將最後的換行字元從緩衝區讀入,但不會放在輸入結果內;get()則會將該換行字元留在緩衝區內,因此下一次的輸入將有可能遇到問題。請參考下面的程式:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char firstname[20]; char lastname[20]; cout << "Please input your first name: "; cin.get(firstname, 20); cout << "Please input your last name: "; cin.get(lastname, 20); cout << "Hello, " << firstname << " " << lastname << endl; return 0; }
測試看看,上面這個程式會遇到什麼問題? 要解決這個問題,可以在第一個cin.get()後再加上一個cin.get()將緩衝區裡的換行字元清除(或是使用以前用過的ignore()函式):
cin.get(firstname, 20); cin.get();
或是
cin.get(firstname, 20).get();
下面這個程式解決了上述問題:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char firstname[20]; char lastname[20]; cout << "Please input your first name: "; cin.get(firstname, 20).get(); cout << "Please input your last name: "; cin.get(lastname, 20); cout << "Hello, " << firstname << " " << lastname << endl; return 0; }
再考慮下一個程式:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char firstname[20]; char lastname[20]; int lucky; cout << "Please input a lucky number: "; cin >> lucky; cout << "Please input your first name: "; cin.get(firstname, 20).get(); cout << "Please input your last name: "; cin.get(lastname, 20); cout << "Hello, " << firstname << " " << lastname << endl; return 0; }
執行看看,會發生什麼結果?為解決此問題,我們可以在取得字串前,先以一個cin.get()來將前一個輸入數字時所遺留下來的換行清除掉,請參考下例:
#include <iostream> using namespace std; int main() { char firstname[20]; char lastname[20]; int lucky; cout << "Please input a lucky number: "; (cin >> lucky).get(); // cin >> lucky; // cin.get(); cout << "Please input your first name: "; cin.get(firstname, 20).get(); cout << "Please input your last name: "; cin.get(lastname, 20); cout << "Hello, " << firstname << " " << lastname << endl; return 0; }
在C語言的函式庫中,提供了許多與字串操作相關的函式,我們也可以在C++語言裡使用它們。由於在C語言裡,那些字串處理函式是定義於string.h標頭檔中,所以在C++語言使用時,記得要使用#include <cstring>將其載入。
我們在本節列舉部份常用的字串處理函式:
將字串s2的內容複製到字串s1中,且複製完成的新字串也會傳回。
#include <iostream> using namespace std; #include <cstring> int main() { char str1[10], *str2; strcpy(str1, "abcd"); cout << str1 << endl;; str2=strcpy(str1, "hello"); cout << str2 << endl; return 0; }
strcmp比較兩個字串的方法,就是一般字典在排列英文字的方法,我們稱之為Lexicographic order。若s1>s2,則:
至於每個字元的比較基準則是以ACSII編碼為依據:
關於更多的字串處理函式,可以參考其它相關書籍或網站。
另外,還有一些C語言的函式可用以將字串轉換為其它型態的數值,例如定義在stdlib.h裡的atoi()函式可以將字串轉成整數,請參考以下的程式:
#include <iostream> using namespace std; #include <cstdlib> int main(void) { cout << atoi("123") << endl; cout << atoi("45.678") << endl; cout << atoi("abc") << endl; cout << atoi("5+2") << endl; return 0; }
其輸出結果為:
123 45 0 5
除了atoi()函式外,C語言還提供了atof()函式與atol()等函式,用以將字串轉換為浮點數與長整數,這些都是定義在stdlib.h標頭檔裡,你可以視需要加以使用。
最後,再讓我看一個範例:
#include <iostream> using namespace std; #include <cstring> int main() { char *str1="Hello"; char *str2=" World"; char str3[20]; cout << "str1=" << str1 << endl; cout << "str2=" << str2 << endl; strcat(str3, str1); strcat(str3, str2); cout << "The length of str1 is " << strlen(str1) << endl; cout << "str1+str2= " << str3 << endl; return 0; }
字串也可以做為函式設計時的引數或傳回值,以引數為例,下面的程式示範了傳入一個字串,計算並傳回其中包含空白字元的個數:
#include <iostream> using namespace std; int countSpace(const char s[]) { int count=0, i; for(i=0;s[i]!='\0';i++) { if(s[i]==' ') { count++; } } return count; } int main() { char str[]="This is a test."; cout << "There are " << countSpace(str) << " space(s) in the string." << endl; return 0; }
要注意在宣告函式時,const char s[]表示該引數為一個字串。更明確來說,這個引數所傳入的是一個字串所在的記憶體位址,在main()函式中呼叫時,我們以countSpace(str)將str這個字串的位址傳入即可。其中的const保證了所傳入的值不可被更改。
我們也可以使用指標的方式,來設計相同的程式,請參考下例:
#include <iostream> using namespace std; int countSpace(const char *s) { int count=0; for(;*s!='\0';s++) { if(*s==' ') { count++; } } return count; } int main() { char str[]="This is a test."; cout << "There are " << countSpace(str)<< " space(s) in the string." << endl; return 0; }
我們也可以讓字串做為函式的傳回值,但要注意的是,此情況下僅能以char *做為函式的傳回值,不能以char []做為函式傳回值 — 因為C++不允許函式傳回多個數值:
我們也可以設計一個陣列來存放多個字串,例如:
#include <iostream> using namespace std; int main() { int i; char month[][9] = { "January", "February", "March", "April", "May", "June", "July", "August", "September", "October", "November", "December"}; for(i=0;i<12;i++) { cout << month[i] << endl; } return 0; }
其實,這個程式有一個錯誤存在,請試著找出問題所在並加以更正。
我們也可以用指標的陣列來存放這些字串:
#include <iostream> using namespace std; int main() { int i; char *month[] = { "January", "February", "March", "April", "May", "June", "July", "August", "September", "October", "November", "December"}; for(i=0;i<12;i++) { cout << month[i] << endl; } return 0; }
figure 3與figure 4分別是這些字串以二維陣列與指標陣列儲存的記憶體示意圖:
所謂的命令列引數(Command-Line Arguments),就是在main()函式中的引數。main()雖然是所謂的程式進入點,但它也是一個函式,也可以有引數。不過由於main()函式是由我們在作業系統的命令列透過執行程式而啟動,因此其引數就稱為命令列引數。例如,我們在Linux系統中,可以執行下列的指令:
junwu@MBA21 3rd %ls RevisedProjects errata submitted arts on-going website draft revision junwu@MBA21 3rd % ls -l total 0 drwxr-xr-x 27 junwu staff 864 3 22 23:54 RevisedProjects drwxr-xr-x 17 junwu staff 544 9 20 2021 arts drwxr-xr-x 35 junwu staff 1120 7 18 2021 draft drwxr-xr-x 18 junwu staff 576 3 15 19:24 errata drwxr-xr-x 5 junwu staff 160 6 28 22:40 on-going drwxr-xr-x 7 junwu staff 224 7 28 2021 revision drwxr-xr-x 35 junwu staff 1120 6 28 22:45 submitted drwxr-xr-x 15 junwu staff 480 7 18 2021 website junwu@MBA21 3rd %
在上述例子中,ls是我們想要執行的指令(也就是一個可執行的程式),至於 -1 就是命令列引數。 我們自己所撰寫的程式,也可以讓main()函式接收這些引數,並進行後續的程式處理。若要使用命令列引數,main()函式的原型如下:
int main(int argc, char *argv[])
其中argc為引數的個數,argv為引數的指標陣列。請試著寫出一個程式,將其所接收的命令列引數輸出。
不同於C語言,C++提供了一個string類別,我們可以利用此類別進行字串的操作。以string類別進行字串處理,必須先宣告產生string類別的物件,然後才可以使用。請記得在使用string類別前,必須先以#include <string>載入標頭檔。下面的程式顯示一個簡單的例子:
#include <iostream> using namespace std; #include <string> int main() { string str; cout << "Enter your name: "; getline(cin, str); cout << "Hi, " << str << "!" << endl; cout << "The third letter in your name is " << str[2] << "." << endl; return 0; }
要注意的是,我們使用的是在string中的getline()函式,而非cin.getline(),這兩者是不同的。getline()函式的第一個引數為所要取得輸入的資料流物件(也就是透過cin來取得),第二個引數為所要儲存的字串(string類別的物件)。string類別的物件,也可以被當成是字串陣列,直接以陣列的索引值加以存取。以下我們將詳細說明string類別的字串物件:
其實,在還沒開始學習何謂物件、何謂類別之前,我們可以暫時把string類別視為一種資料型態(當然是比較特別的資料型態),其字串的宣告與初始化就如同一般的變數宣告一樣:
string strName = "Hello"; string strName ("Hello"); string strName = {"Hello"}; string strName {"Hello"};
string類別的字串物件可以進行各式的操作,包含assignment、concatenation、appending等,請參考以下的程式碼:
string str1; string str2 {"Hello"}; string str3; str1 = str2; //assignment str3 = str1 + str2; //assign str3 the joined strings str1 += str2; //ass str2 to the end of str1
另外,string類別的物件還提供許多操作的方法,包含:
假如要使用上述的方法,則以物件名稱加上 .方法名稱即可,請參考下面的範例:
string str1; getline(cin, str1); cout << str1.size() << endl;