1. 前言
在程式設計中，字串操作是一項基本且經常使用的重要技能。特別是在 C 語言中，需要有效且安全地處理字串，但相較於其他高階語言，這部分會稍微困難一些。原因是 C 語言沒有專門的字串型別，因此基本上必須將字串視為陣列來處理。
本文將詳細解說在 C 語言中的「字串串接」。字串串接是將多個字串合併成一個的操作，常用於資料結合或產生輸出內容等多種情境。然而，在 C 語言中，從安全性與效能的角度來看，有許多需要注意的地方，因此必須理解相關細節。
透過本文，您將能清楚理解以下重點：
- C 語言的字串基礎與串接方法
- 實現安全串接的最佳實務
- 實用的程式碼範例
掌握字串串接技術後，您在 C 語言中的程式設計將會更加強大且靈活。接下來的章節將說明具體的串接方法與安全使用的技巧。
2. C 語言中的字串基礎
要理解 C 語言的字串操作，首先必須掌握 C 語言中處理字串的基本方式。由於 C 語言不像其他高階語言那樣擁有字串型別，因此必須將字串視為陣列來處理。這裡將解說 C 語言中字串的定義方式及基本操作。
字串的定義與處理方式
在 C 語言中處理字串時，需要將其宣告為 char 型別的陣列。字串是一連串字元的集合，必須以 '\0'（空字元）作為結尾。這個結尾字元的作用是告訴電腦「字串在此結束」。
字串的宣告方式
宣告字串的基本方法如下：
char str[20] = "Hello, World!";上述範例中，我們在長度為 20 的 char 型別陣列 str 中儲存了「Hello, World!」這個字串。由於結尾會自動加上 '\0'，因此 str 的內容為 19 個字元加上 1 個結尾空字元。
結尾空字元的重要性
在 C 語言中，判斷字串結束的位置是透過 '\0'。如果沒有這個結尾字元，處理字串的函式可能會讀取記憶體中不該存取的範圍，導致不可預期的錯誤或程式錯誤。因此請務必確保字串末尾有 '\0'。
範例：缺少結尾空字元的問題
char str[5] = {'H', 'e', 'l', 'l', 'o'};在上述範例中，因為沒有加入 '\0'，所以無法正確識別為字串。若使用 printf 輸出時，可能會顯示記憶體中後續的資料，甚至導致程式當機。
C 語言的字串操作
C 語言的標準函式庫中提供了許多方便的字串操作函式。只要引入 <string.h> 標頭檔，就可以使用 strcat、strlen、strcmp 等函式，來取得字串長度、串接字串或比較字串等。
善用這些基本函式，能夠幫助您安全且高效地操作字串。
3. 字串串接的方法
在 C 語言中，字串串接有多種方法。最常見的是使用 strcat 函式或 strncat 函式，另外也可以使用 sprintf 函式，甚至手動串接，根據不同用途選擇適合的方法。本章將說明各種方法的使用方式與注意事項。
使用 strcat 函式
什麼是 strcat 函式
strcat 是一個標準函式庫中的字串串接函式，它會將一個字串附加到另一個字串的末尾，形成一個新的字串。使用前需要引入 <string.h> 標頭檔。
基本使用範例
以下是使用 strcat 進行字串串接的範例：
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello, ";
char str2[] = "World!";
strcat(str1, str2);
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, World!
return 0;
}注意事項：緩衝區溢位的風險
strcat 可能造成緩衝區溢位。如果 str1 的空間不足以容納 str2，多出的內容會寫入記憶體中不該存取的位置，導致錯誤或安全性問題。為了避免此情況，必須在串接前確認並預留足夠的空間。
使用 strncat 函式
什麼是 strncat 函式
strncat 與 strcat 類似，但它允許指定要附加的最大字元數，因此更安全，能有效降低緩衝區溢位的風險。
基本使用範例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello, ";
char str2[] = "World!";
strncat(str1, str2, 5); // 附加前 5 個字元
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, Worl
return 0;
}在這個範例中，str2 的前 5 個字元被附加到 str1 後面，避免了超出緩衝區大小的風險。
使用 sprintf 函式
什麼是 sprintf 函式
sprintf 可以根據指定格式將資料輸出到字串中，因此可以用來進行字串串接，並同時包含變數或數值的內容。
基本使用範例
#include <stdio.h>
int main() {
char str[50];
int num = 123;
sprintf(str, "The number is %d", num);
printf("%s\n", str); // 輸出: The number is 123
return 0;
}使用 sprintf 可以在串接字串的同時插入變數或數值，使內容更具彈性。
手動串接
手動串接的優點與方法
透過迴圈手動將字串一個字元一個字元地附加，也是一種選擇，特別是在需要細緻控制的情況下。
基本使用範例
#include <stdio.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello, ";
char str2[] = "World!";
int i, j;
// 找到 str1 的結尾
for (i = 0; str1[i] != '\0'; i++);
// 將 str2 複製到 str1 後面
for (j = 0; str2[j] != '\0'; j++) {
str1[i + j] = str2[j];
}
// 加上結尾字元
str1[i + j] = '\0';
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, World!
return 0;
}這個範例透過兩個迴圈完成字串串接，並手動加入 '\0' 作為結尾。
4. 安全字串串接的最佳實務
如果在 C 語言中處理字串串接時沒有正確控管，很容易發生緩衝區溢位或非預期行為，這可能會覆蓋其他記憶體區域，導致程式不穩定或產生安全漏洞。以下是安全進行字串串接的最佳實務。
正確管理緩衝區大小
避免超出緩衝區大小
在進行字串串接時，必須先確認緩衝區的剩餘空間是否足夠。例如，當緩衝區大小為 20，要串接 "Hello, " 與 "World!" 是沒問題的，但若要加入更多內容，就必須事先檢查剩餘空間。
檢查大小的範例
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello, ";
char str2[] = "World!";
if (strlen(str1) + strlen(str2) < sizeof(str1)) {
strcat(str1, str2);
} else {
printf("緩衝區不足\n");
}
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, World!
return 0;
}這段程式碼先檢查字串長度，再決定是否進行串接，以避免溢位。
善用 snprintf 函式
snprintf 是一個可以在指定緩衝區大小內安全輸出的函式。與 strcat 或 sprintf 不同，snprintf 可以指定緩衝區容量，因此大幅降低了緩衝區溢位的風險。它包含在 <stdio.h> 標頭檔中，使用起來很方便。
snprintf 使用範例
#include <stdio.h>
int main() {
char buffer[20];
snprintf(buffer, sizeof(buffer), "%s %s", "Hello,", "World!");
printf("%s\n", buffer); // 輸出: Hello, World!
return 0;
}這個範例中，snprintf 在輸出時會限制在 sizeof(buffer) 的大小內，確保不會超過緩衝區的界限。
利用動態記憶體配置實現靈活的字串串接
當串接後的字串長度無法預先確定時，可以使用 malloc 或 realloc 來動態分配記憶體，根據需要靈活調整容量。
動態記憶體配置範例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main() {
char *str1 = malloc(20);
strcpy(str1, "Hello, ");
char *str2 = "World!";
// 重新計算所需記憶體大小並重新分配
str1 = realloc(str1, strlen(str1) + strlen(str2) + 1);
strcat(str1, str2);
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, World!
free(str1); // 釋放記憶體
return 0;
}這個範例先配置 20 個位元組的空間，之後根據需要重新分配足夠的大小來完成串接，最後釋放記憶體。
安全字串串接重點總結
- 在串接前先確認緩衝區容量，避免溢位。
- 多使用
strncat、snprintf等具安全性的函式。 - 當字串長度不固定時，使用動態記憶體配置以確保安全。
5. 實用程式碼範例
以下將透過不同情境的程式碼，示範 C 語言字串串接的方法，方便選擇適合的方式。
1. 使用 strcat 進行基本字串串接
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char greeting[30] = "Hello, ";
char name[] = "Alice";
strcat(greeting, name);
printf("%s\n", greeting); // 輸出: Hello, Alice
return 0;
}2. 使用 strncat 進行安全串接
#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main() {
char buffer[15] = "Hello, ";
char additionalText[] = "Wonderland!";
strncat(buffer, additionalText, 7); // 附加前 7 個字元
printf("%s\n", buffer); // 輸出: Hello, Wonder
return 0;
}3. 使用 sprintf 進行格式化串接
#include <stdio.h>
int main() {
char message[50];
int age = 25;
char name[] = "Alice";
sprintf(message, "Name: %s, Age: %d", name, age);
printf("%s\n", message); // 輸出: Name: Alice, Age: 25
return 0;
}4. 手動串接
#include <stdio.h>
int main() {
char str1[20] = "Hello, ";
char str2[] = "C Programming";
int i, j;
for (i = 0; str1[i] != '\0'; i++);
for (j = 0; str2[j] != '\0'; j++) {
str1[i + j] = str2[j];
}
str1[i + j] = '\0';
printf("%s\n", str1); // 輸出: Hello, C Programming
return 0;
}5. 結合 snprintf 與動態記憶體配置
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main() {
char *dynamicStr = malloc(20);
if (dynamicStr == NULL) {
printf("記憶體分配失敗\n");
return 1;
}
strcpy(dynamicStr, "Hello, ");
char *additionalStr = "Dynamic World!";
dynamicStr = realloc(dynamicStr, strlen(dynamicStr) + strlen(additionalStr) + 1);
if (dynamicStr == NULL) {
printf("記憶體重新分配失敗\n");
return 1;
}
strcat(dynamicStr, additionalStr);
printf("%s\n", dynamicStr); // 輸出: Hello, Dynamic World!
free(dynamicStr);
return 0;
}6. 總結
本文詳細介紹了 C 語言中進行字串串接的方法。由於 C 語言沒有內建的字串型別，字串操作相對複雜，因此在編寫程式時需要特別注意安全性。以下為重點整理：
C 語言字串串接重點
- C 語言的字串基礎
- 字串以
char陣列儲存，並必須以'\0'作結，否則可能導致讀取到不應存取的記憶體位置。
- 字串串接方法
- 使用
strcat或strncat可以進行基本串接，但必須確認緩衝區大小。 - 使用
sprintf可靈活插入數值或其他資料。 - 手動串接適用於需要特殊控制的情況，但通常使用內建函式會更簡單。
- 安全最佳實務
- 串接前先確認長度，避免溢位。
- 多使用
snprintf等具安全性的函式。 - 長度不固定時使用動態記憶體配置。
安全處理 C 語言字串
在進行字串操作時，務必確保記憶體安全，特別是防範緩衝區溢位等問題。此外，在使用動態記憶體配置時，也要記得適時釋放記憶體，以避免記憶體洩漏。熟練這些技巧後，您將能在 C 語言中安全且靈活地處理字串串接。
