C/C++ 每日一练：实现一个字符串（C 风格 / 中文）反转函数

字符串（C 风格）

题目要求

         编写一个函数，接受一个字符串作为输入，并返回该字符串的反转版本。例如，输入字符串 "hello" 应输出 "olleh"。

功能要求：

  1. 函数应能够处理不同长度的字符串，包括空字符串。
  2. 输入字符串只包含字母、数字和常规字符（不包含多字节字符）。
  3. 不允许使用库函数，如 strrev 、std::reverse或类似的专门用于字符串反转的函数，要求自己实现。

思路解析

  1. 字符串的存储方式：在 C 语言中，字符串是以字符数组形式存储的，并且以 \0（空字符）作为结束符。因此，需要通过遍历数组来实现字符串的反转。

  2. 反转算法：

    • 使用两个指针，一个指向字符串的开头，另一个指向字符串的末尾。
    • 交换这两个指针所指向的字符，并向中间推进，直到两个指针相遇或交错。
    • 这样，在原地反转字符串，避免额外的空间消耗。

  3. 边界情况：需要考虑如下特殊情况：

    • 空字符串：直接返回空字符串。
    • 单字符字符串：无需处理，直接返回原字符串。
    • 两个指针相遇或交错的判断条件，例如start < end。

过程解析

  1. 输入检查：首先检查输入字符串是否为空或长度为 1，如果是，直接返回。
  2. 指针操作：使用两个指针分别指向字符串的起始位置和结束位置，然后交换这两个位置的字符。
  3. 逐步推进指针：每次交换后，起始指针向后移动，结束指针向前移动，直到它们相遇或交错。
  4. 返回结果：反转完成后，返回修改后的字符串。

运用的知识点

  1. 指针操作：C/C++ 中处理字符串时，往往会用到指针进行遍历和操作，尤其是对字符数组的处理。
  2. 数组操作：了解数组的基本操作和边界检查。
  3. 字符交换：在反转过程中需要交换字符，通过一个中间变量完成。
  4. 条件判断和循环：用 while 循环来实现字符串的遍历，并通过条件判断来处理边界情况。

示例代码

C 示例
#include <stdio.h>
#include <string.h>// 字符串反转函数
void reverseString(char *str) {if (str == NULL) {return;  // 如果输入为空，直接返回}int len = strlen(str);  // 获取字符串的长度（长度不包括末尾的 \0 字符）int start = 0;          // 起始指针，指向字符串开头int end = len - 1;      // 结束指针，指向字符串末尾// 当 start 小于 end 时，交换字符while (start < end) {// 交换 str[start] 和 str[end]char temp = str[start];str[start] = str[end];str[end] = temp;// 更新指针位置start++;end--;}
}int main() 
{char str[] = "hello";  // 输入字符串printf("原始字符串: %s\n", str);reverseString(str);  // 调用反转函数printf("反转后的字符串: %s\n", str);  // 输出结果return 0;
}
C++ 示例
#include <iostream>
#include <cstring>  // 包含 C 风格字符串的函数// 字符串反转函数
void reverseString(char *str) {if (str == nullptr) // nullptr是C++11引入的关键字，用于表示空指针，比C语言中的 NULL 更加类型安全。{return;  // 如果输入为空，直接返回}int len = strlen(str);  // 获取字符串长度int start = 0;          // 起始位置int end = len - 1;      // 结束位置// 交换字符while (start < end) {std::swap(str[start], str[end]);  // 使用 C++ 的 swap 函数进行交换start++;end--;}
}int main() {char str[] = "world";  // 输入字符串std::cout << "原始字符串: " << str << std::endl;reverseString(str);  // 调用反转函数std::cout << "反转后的字符串: " << str << std::endl;  // 输出结果return 0;
}

字符串（中文）

        中文字符串在内存中占用的是多个字节（通常是 UTF-8 编码下的 3 个字节），因此不能像处理英文（只占用 1 个字节）一样简单地逐个字符交换。如果直接逐字节交换，会破坏字符编码，导致输出乱码。因此，处理多字节字符需要更加小心，确保每次操作一个完整的字符。

       注意，这里使用的方式同样适用于中英文混合的情况。

思路解析

  1. UTF-8 编码：UTF-8 是一种变长的字符编码，对于英文字符来说是 1 个字节，而对于中文字符，通常需要 3 个字节。为了正确地处理中文字符，首先需要识别出每个字符的边界，然后对字符进行反转。

  2. 遍历和识别字符：需要逐字遍历字符串，判断当前字符占用的字节数（1 字节表示 ASCII 字符，3 字节表示中文字符）。每次读取一个完整字符并存储下来，最后再进行反转。

过程解析

  1. 逐字解析：逐个解析 UTF-8 字符，根据其前导字节（本文后面有解释）判断该字符是 1 字节还是多字节字符。
    • 对于 1 字节的 ASCII 字符，直接处理。
    • 对于多字节字符（如中文），根据 UTF-8 的编码规则解析其长度。
  2. 存储并反转：将每个完整的字符（包括中文）存储到一个数组中，然后再按字符顺序进行反转。

示例代码

C 示例
#include <stdio.h>  // 引入标准输入输出库  
#include <stdlib.h> // 引入标准库，用于动态内存分配等  
#include <string.h> // 引入字符串处理库  // 判断当前字符的字节数（UTF-8 编码）  
int getUTF8CharLength(unsigned char ch) {if ((ch & 0x80) == 0) {         // 如果最高位为0，则是单字节字符（ASCII）  return 1;}else if ((ch & 0xC0) == 0xC0) { // 如果最高两位为110，则是双字节字符  return 2;}else if ((ch & 0xE0) == 0xE0) { // 如果最高三位为1110，则是三字节字符（常用于中文字符）  return 3;}else if ((ch & 0xF8) == 0xF0) { // 如果最高四位为11110，则是四字节字符（特殊符号）  return 4;}return 1;  // 默认按 1 字节处理，防止错误（理论上这种情况不应该发生）  
}// 反转 UTF-8 编码的字符串  
void reverseUTF8String(const char* str, char* reversedStr) {int len = (int)strlen(str);  // 获取字符串长度，并转换为int类型  int i = 0;  // 用于遍历原始字符串的索引  int j = 0;  // 用于遍历字符长度数组的索引  // 动态分配内存  char* temp = (char*)malloc(len + 1);  // 为临时字符串分配内存，+1用于存储结束符'\0'  int* charLens = (int*)malloc(len * sizeof(int));  // 为字符长度数组分配内存  int index = 0;  // temp 和 charLens 的索引  // 逐字符解析  while (i < len) {int charLen = getUTF8CharLength((unsigned char)str[i]);  // 获取当前字符的字节数  charLens[index] = charLen;  // 记录该字符的长度  // 拷贝当前字符到临时字符串中  // 注意：strncpy_s 是 Microsoft 的安全函数，标准 C 中使用 strncpy，但 strncpy 不会自动添加 '\0'  // 这里假设 strncpy_s 的行为是拷贝指定长度的字符，并在目标缓冲区末尾添加 '\0'（如果缓冲区足够大）  // 但由于 strncpy_s 不是标准 C 函数，这里应使用 strncpy 并手动处理 '\0'  // strncpy_s(temp + index, len + 1 - index, str + i, charLen);  strncpy(temp + index, str + i, charLen);  // 使用标准 C 函数  temp[index + charLen] = '\0';  // 手动添加 '\0'，确保字符串正确结束  index += charLen;i += charLen;}// 反转字符：从最后一个字符开始拷贝到输出字符串中  int pos = 0;  // 用于记录 reversedStr 的当前位置  for (i = index - charLens[j]; i >= 0; i -= charLens[j++]) {// 拷贝字符到 reversedStr 中，注意这里同样应该使用 strncpy 并手动处理 '\0'  // 但由于我们已经知道每个字符的确切长度，并且 reversedStr 足够大，可以直接拷贝  // strncpy_s(reversedStr + pos, len + 1 - pos, temp + i, charLens[j]);  strncpy(reversedStr + pos, temp + i, charLens[j]);reversedStr[pos + charLens[j]] = '\0';  // 实际上这一步是多余的，因为后面会覆盖  pos += charLens[j];}// 添加字符串结束符（理论上这一步是多余的，因为我们已经逐个字符地添加了结束符）  // 但为了代码的清晰性和防止意外情况，还是加上  reversedStr[pos] = '\0';// 释放内存  free(temp);  // 释放临时字符串的内存  free(charLens);  // 释放字符长度数组的内存  
}int main() 
{const char* str = "你好，世界！Hello, World!";  // 输入字符串（中英文混合）  char reversedStr[100];  // 预留足够的空间用于存储反转后的字符串  printf("原始字符串: %s\n", str);  // 输出原始字符串  reverseUTF8String(str, reversedStr);  // 调用反转函数  printf("反转后的字符串: %s\n", reversedStr);  // 输出反转后的字符串  return 0;  // 程序正常结束  
}
C++ 示例

         由于 UTF-8 编码的特性，我们可以使用 C++ 中的 std::string 和 STL 来处理中文字符。通过利用 std::string 的迭代器来解析字符，可以很方便地实现这一功能。

#include <iostream>  // 引入输入输出流库，用于输入输出操作  
#include <string>    // 引入字符串库，用于字符串操作  
#include <vector>    // 引入向量库，用于存储动态数组  // 判断当前字符的字节数（UTF-8 编码）  
int getUTF8CharLength(unsigned char ch) {  // 如果最高位为0，则是单字节字符（ASCII）  if ((ch & 0x80) == 0) {    return 1;  }   // 如果最高两位为110，则是双字节字符  else if ((ch & 0xC0) == 0xC0) {    return 2;  }   // 如果最高三位为1110，则是三字节字符（常用于中文字符）  else if ((ch & 0xE0) == 0xE0) {    return 3;  }   // 如果最高四位为11110，则是四字节字符（一些特殊符号）  else if ((ch & 0xF8) == 0xF0) {    return 4;  }  // 默认按 1 字节处理，防止错误（理论上这种情况不应该发生，因为UTF-8编码规则已覆盖所有情况）  return 1;    
}  // 反转 UTF-8 编码的字符串  
std::string reverseUTF8String(const std::string& str) {  std::vector<std::string> chars;  // 使用向量存储每个完整字符的字符串  // 遍历字符串，解析出每个完整字符  for (size_t i = 0; i < str.size(); ) {  // 使用size_t类型索引，因为它是专门用于表示大小和索引的无符号整数类型  int charLen = getUTF8CharLength(static_cast<unsigned char>(str[i]));  // 获取当前字符的字节数  chars.push_back(str.substr(i, charLen));  // 从当前位置开始，截取指定长度的子字符串，并添加到向量中  i += charLen;  // 更新索引，移动到下一个字符的起始位置  }  // 使用标准库算法反转字符向量  std::reverse(chars.begin(), chars.end());  // 将反转后的字符拼接成新的字符串  std::string reversedStr;  for (const auto& ch : chars) {  // 使用范围for循环遍历向量中的每个字符串  reversedStr += ch;  // 将每个字符串拼接到新的字符串中  }  return reversedStr;  // 返回反转后的字符串  
}  int main()   
{  std::string str = "你好，世界！Hello, World!";  // 定义一个包含中文和英文字符的字符串  std::cout << "原始字符串: " << str << std::endl;  // 输出原始字符串  std::string reversedStr = reverseUTF8String(str);  // 调用反转函数，获取反转后的字符串  std::cout << "反转后的字符串: " << reversedStr << std::endl;  // 输出反转后的字符串  return 0;  // 程序正常结束  
}

前导字节

        前导字节（Leading Byte）是用于标识一个多字节字符开始位置的字节，特别是在像 UTF-8 这样使用变长编码的字符集里。通过前导字节，我们可以判断该字符需要多少个字节进行存储。

         在 UTF-8 编码中，每个字符根据其 Unicode 码点的大小会使用 1 到 4 个字节来表示：

  • 对于 ASCII 字符（如英文字符），仅用 1 个字节，范围是 0x00 到 0x7F（0 到 127 的十进制数）。
  • 对于超出 ASCII 范围的字符（如中文、表情符号等），需要使用 2、3 或 4 个字节。

         通过每个字符的第一个字节（即前导字节），可以判断该字符使用了多少个字节。前导字节的高位比特数决定了字符的字节长度。

前导字节的格式

         UTF-8 的每个字符的前导字节可以按照以下规则进行识别：

字节数前导字节格式范围 (十六进制)范围 (二进制)描述
1 字节0xxxxxxx00 - 7F00000000 - 01111111适用于 ASCII 字符
2 字节110xxxxxC0 - DF11000000 - 11011111多字节字符的第一个字节
3 字节1110xxxxE0 - EF11100000 - 11101111多字节字符的第一个字节，通常是中文
4 字节11110xxxF0 - F711110000 - 11110111多字节字符的第一个字节，特殊符号等

         根据第一个字节（前导字节）的二进制格式，可以判断字符的总字节数：

  • 如果前导字节是 0xxxxxxx，那么这是一个 1 字节字符（ASCII 字符）。
  • 如果前导字节是 110xxxxx，这是一个 2 字节的字符。
  • 如果前导字节是 1110xxxx，这是一个 3 字节的字符（常见于中文）。
  • 如果前导字节是 11110xxx，这是一个 4 字节的字符。
后续字节

        每个多字节字符的后续字节都以 10xxxxxx 的形式开始，也就是高两位固定为 10。范围是 0x80 到 0xBF。

举例说明
  • ASCII 字符：
    • 字符 'A' 的 UTF-8 编码是 0x41（十进制 65），属于 1 字节的字符，其二进制表示为 01000001，前导字节是 0xxxxxxx。
  • 中文字符：
    • 字符 "你" 的 UTF-8 编码是 0xE4 0xBD 0xA0（3 字节），其第一个字节是 0xE4，二进制表示为 11100100，前导字节格式为 1110xxxx，表示这是一个 3 字节的字符。

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