C語言字串深度解析：記憶體模型、指標陷阱與核心操作

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C語言字串深度解析：記憶體模型、指標陷阱與核心操作

字串在C語言中並非基本型別，而是以以空字元'\0'結尾的字元陣列形式存在。這一看似簡單的設計，卻孕育了C語言靈活高效也危險的特性。本文從記憶體佈局、建立方式、參數傳遞、修改限制、長度計算五個維度，系統梳理字串核心知識與常見陷阱。

一、字串 vs 字元：記憶體佈局的本質差異

#include <stdio.h>
int main(void) {
    // "H" 是字串字面量，佔 2 字節：'H' + '\0'
    // 'H' 是字元常數，佔 1 字節（實際為 int 型別，通常 4 字節）
    printf("sizeof(\"c\") = %zu, sizeof('s') = %zu\n", sizeof("c"), sizeof('s'));
    // 輸出: sizeof("c") = 2, sizeof('s') = 4 (64位系統 int 為 4 字節)
    return 0;
}

結論： 雙引號建立的是字串字面量（含結束符），單引號建立的是字元常數（整型值）。

二、字串字面量的記憶體歸屬與指標綁定

char *p = "hello world!";

這行代碼背後發生了什麼？

編譯期： 編譯器在唯讀資料段分配 13 字節空間存儲 "hello world!\0"。
表達式值： "hello world!" 的值是該字串首字元地址（即字元 'h' 的地址）。
指標初始化： p 指向這個地址。

驗證：

printf("%s\n", p);        // 輸出整個字串
printf("%c\n", *("hello")); // 輸出 'h'，字串字面量直接解引用獲取首字元

三、致命陷阱：嘗試修改字串字面量

char *p = "hello world!\n";
p[0] = 'H'; // 編譯可能通過，運行時段錯誤！
printf("%c\n", p[0]);

原因： p 指向唯讀資料段，硬體記憶體保護機制禁止寫入。

正確姿勢： 使用字元陣列，內容會被複製到棧區（可讀寫）。

char arr[] = "hello world!\n"; // 棧上分配，內容可修改
arr[0] = 'H'; // 合法
printf("%s", arr); // 輸出 "Hello world!"

四、字串作為函式參數：實為指標傳遞

void func(char *str) { /* ... */ }
func("hello"); // 字串字面量地址傳給 str

格式化字串漏洞示例：

char *p = "hello word! %d\n";
printf(p, 5); // 危險！若 p 來自用戶輸入，可導致格式化字串攻擊
// 安全寫法：printf("%s", p); 或 printf("hello word! %d\n", 5);

五、字串長度計算：`strlen` vs `sizeof`

#include <string.h>
int main(void) {
    char *p = "hello";
    char a[] = "hello";
    
    printf("strlen(p) = %zu\n", strlen(p)); // 5，按 '\0' 計算有效長度
    printf("strlen(a) = %zu\n", strlen(a)); // 5
    printf("sizeof(p) = %zu\n", sizeof(p));  // 8 (64位指標大小)
    printf("sizeof(a) = %zu\n", sizeof(a));  // 6 (含 '\0' 的陣列總大小)
    return 0;
}

核心區別：

strlen：運行時遍歷計數，不包含結束符，僅適用於以'\0'結尾的字串。
sizeof：編譯期計算型別佔用字節數。指標型別大小固定（4/8字節），陣列型別為總大小（含結束符）。

六、進階陷阱：指標越界與未定義行為

#include <unistd.h> // write
void func(void) {
    int *p = "hello!"; // 強制轉型，掩蓋編輯器警告
    write(1, p, 10); // 寫入 10 字節，超出字串長度，輸出後續記憶體垃圾值
}
int main(void) {
    int *q = "hello world";
    func();
    return 0;
}

教訓： C語言不做邊界檢查，越界言問導致未定義行為（輸出亂碼、崩潰、安全漏洞）。