字符串

C/C+中每个字符串都以字符"\0"作为结尾，这样我们就能很方便地找到字符串的最后尾部。但由于这个特点，每个字符串中都有一个额外字符的开销，稍不留神就会造成字符串的越界。比如下面的代码：

char str [10];
strcpy(str, "0123456789");

我们先声明一个长度为10的字符数组，然后把字符串"0123456789"复制到数组中。"0123456789"这个字符串看起来只有10个字符，但实际上它的末尾还有一个"0"字符，因此它的实际长度为11个字节。要正确地复制该字符串，至少需要一个长度为11个字节的数组。

为了节省内存，C/C++把常量字符串放到单独的一个内存区域。当几个指针赋值给相同的常量字符串时，它们实际上会指向相同的内存地址。但用常量内存初始化数组，情况却有所不同。下面通过一个面试题来学习这一知识点。运行下面的代码，得到的结果是什么？

int main(int argc, char* argv[])
{
     char str1[] = "hello world";
     char str2[] = "hello world";

     char* str3 = "hello world";
     char* str4 = "hello world";

     if(str1 == str2)
        printf("str1 and str2 are same.\n");
     else
        printf("str1 and str2 are not same.\n");

     if(str3 == str4)
        printf("str3 and str4 are same.\n");
     else
        printf("str3 and str4 are not same.\n");
        
     return 0;
}

str1和 str2是两个字符串数组，我们会为它们分配两个长度为12个字节的空间，并把"hello world"的内容分别复制到数组中去。这是两个初始地址不同的数组，因此strl和str2的值也不相同，所以输出的第一行是”str1 and str2 are not same”。

str3和str4是两个指针，我们无须为它们分配内存以存储字符串的内容，而只需要把它们指向"hello world”在内存中的地址就可以了。由于"helloworld”是常量字符串，它在内存中只有一个拷贝，因此 str3和 str4指向的是同一个地址。所以比较str3和str4的值得到的结果是相同的，输出的第二行是"str3 and str4 are same”。

替换空格

题目：请实现一个函数，把字符串中的每个空格替换成"%20"。例如输“We are happy.”，则输出“We%20are%20happy."。

在网络编程中，如果URL参数中含有特殊字符，如空格、'#‘等，可能导致服务器端无法获得正确的参数值。我们需要将这些特殊符号转换成服务器可以识别的字符。转换的规则是在’%‘后面跟上ASCII码的两位十六进制的表示。比如空格的ASCII码是32，即十六进制的0x20，因此空格被替换成"%20"。再比如’#'的ASCI码为35，即十六进制的0x23，它在URL中被替换为"%23"。

看到这个题目，我们首先应该想到的是原来一个空格字符，替换之后变成’%'、'2’和’0’这3个字符，因此字符串会变长。如果是在原来的字符串上做替换，那么就有可能覆盖修改在该字符串后面的内存。如果是创建新的字符串并在新的字符串上做替换，那么我们可以自己分配足够多的内存。由于有两种不同的解决方案，我们应该向面试官问清楚，让他明确告诉我们他的需求。假设面试官让我们在原来的字符串上做替换，并且保证输入的字符串后面有足够多的空余内存。

时间复杂度为O(n²)的解法，不足以拿到Offer

现在我们考虑怎么做替换操作。最直观的做法是从头到尾扫描字符串，每一次碰到空格字符的时候做替换。由于是把1个字符替换成3个字符，我们必须要把空格后面所有的字符都后移两个字节，否则就有两个字符被覆盖了。

举个例子，我们从头到尾把"We are happy.“中的每一个空格替换成”%20"。为了形象起见，我们可以用一个表格来表示字符串，表格中的每个格子表示一个字符（如图2.3（a）所示)。

注：(a）字符串"We are happy."。(b)把字符串中的第一个空格替换成’%20’。灰色背景表示需要移动的字符。©把字符串中的第二个空格替换成’%20’。浅灰色背景表示需要移动一次的字符，深灰色背景表示需要移动两次的字符。

我们替换第一个空格，这个字符串变成图2.3(b)中的内容，表格中灰色背景的格子表示需要做移动的区域。接着我们替换第二个空格，替换之后的内容如图2.3©所示。同时，我们注意到用深灰色背景标注的"happy"部分被移动了两次。

假设字符串的长度是n。对每个空格字符，需要移动后面O(n)个字符，因此对含有O(n)个空格字符的字符串而言总的时间效率是O(n²)。

当我们把这种思路阐述给面试官后，他不会就此满意，他将让我们寻找更快的方法。在前面的分析中，我们发现数组中很多字符都移动了很多次，能不能减少移动次数呢？答案是肯定的。我们换一种思路，把从前向后替换改成从后向前替换。

时间复杂度O(n)的解法，搞定Offer就靠它

我们可以先遍历一次字符串，这样就能统计出字符串中空格的总数，并可以由此计算出替换之后的字符串的总长度。每替换一个空格，长度增加2，因此替换以后字符串的长度等于原来的长度加上2乘以空格数目。我们还是以前面的字符串"We are happy."为例，"We are happy."这个字符串的长度是14(包括结尾符号"0’)，里面有两个空格，因此替换之后字符串的长度是18。

我们从字符串的后面开始复制和替换。首先准备两个指针，P1和P2。P1指向原始字符串的末尾，而P2指向替换之后的字符串的末尾（如图2.4(a)所示)。接下来我们向前移动指针 P1，逐个把它指向的字符复制到P2指向的位置，直到碰到第一个空格为止。此时字符串包含如图2.4(b)所示，灰色背景的区域是做了字符拷贝（移动）的区域。碰到第一个空格之后，把P1向前移动1格，在P2之前插入字符串"%20"。由于"%20"的长度为3，同时也要把P2向前移动3格如图2.4©所示。

我们接着向前复制，直到碰到第二个空格（如图2.4(d)所示)。和上一次一样，我们再把P1向前移动1格，并把P2向前移动3格插入"%20"（如图2.4(e)所示)。此时P1和P2指向同一位置，表明所有空格都已经替换完毕。

从上面的分析我们可以看出，所有的字符都只复制(移动)一次，因此这个算法的时间效率是O(n)，比第一个思路要快。

注：图中带有阴影的区域表示被移动的字符。(a)把第一个指针指向字符串的末尾，把第二个指针指向替换之后的字符串的末尾。(b)依次复制字符串的内容，直至第一个指针碰到第一个空格。©把第一个空格替换成’%20’，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。(d)依次向前复制字符串中的字符，直至碰到空格。©替换字符串中的倒数第二个空格，把第一个指针向前移动1格，把第二个指针向前移动3格。

在面试的过程中，我们也可以和前面的分析一样画一两个示意图解释自己的思路，这样既能帮助我们理清思路，也能使我们和面试官的交流变得更加高效。在面试官肯定我们的思路之后，就可以开始写代码了。下面是参考代码：

代码示例

#include <cstdio>
#include <cstring>

/*length 为字符数组str的总容量，大于或等于字符串str的实际长度*/
void ReplaceBlank(char str[], int length)
{
	if (str == nullptr && length <= 0)
		return;

	/*originalLength 为字符串str的实际长度*/
	int originalLength = 0;
	int numberOfBlank = 0;
	int i = 0;
	while (str[i] != '\0')
	{
		++originalLength;

		if (str[i] == ' ')
			++numberOfBlank;

		++i;
	}

	/*newLength 为把空格替换成'%20'之后的长度*/
	int newLength = originalLength + numberOfBlank * 2;
	if (newLength > length)
		return;

	int indexOfOriginal = originalLength;
	int indexOfNew = newLength;
	while (indexOfOriginal >= 0 && indexOfNew > indexOfOriginal)
	{
		if (str[indexOfOriginal] == ' ')
		{
			str[indexOfNew--] = '0';
			str[indexOfNew--] = '2';
			str[indexOfNew--] = '%';
		}
		else
		{
			str[indexOfNew--] = str[indexOfOriginal];
		}

		--indexOfOriginal;
	}
}

// ====================测试代码====================
void Test(const char* testName, char str[], int length, const char expected[])
{
	if (testName != nullptr)
		printf("%s begins: ", testName);

	ReplaceBlank(str, length);

	if (expected == nullptr && str == nullptr)
		printf("passed.\n");
	else if (expected == nullptr && str != nullptr)
		printf("failed.\n");
	else if (strcmp(str, expected) == 0)
		printf("passed.\n");
	else
		printf("failed.\n");
}

// 空格在句子中间
void Test1()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "hello world";
	Test("Test1", str, length, "hello%20world");
}

// 空格在句子开头
void Test2()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = " helloworld";
	Test("Test2", str, length, "%20helloworld");
}

// 空格在句子末尾
void Test3()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "helloworld ";
	Test("Test3", str, length, "helloworld%20");
}

// 连续有两个空格
void Test4()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "hello  world";
	Test("Test4", str, length, "hello%20%20world");
}

// 传入nullptr
void Test5()
{
	Test("Test5", nullptr, 0, nullptr);
}

// 传入内容为空的字符串
void Test6()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "";
	Test("Test6", str, length, "");
}

//传入内容为一个空格的字符串
void Test7()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = " ";
	Test("Test7", str, length, "%20");
}

// 传入的字符串没有空格
void Test8()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "helloworld";
	Test("Test8", str, length, "helloworld");
}

// 传入的字符串全是空格
void Test9()
{
	const int length = 100;

	char str[length] = "   ";
	Test("Test9", str, length, "%20%20%20");
}

int main(int argc, char* argv[])
{
	Test1();
	Test2();
	Test3();
	Test4();
	Test5();
	Test6();
	Test7();
	Test8();
	Test9();

	return 0;
}

测试用例

1）输入的字符串中包含空格(空格位于字符串的最前面，空格位于字符串的最后面，空格位于字符串的中间，字符串中有连续多个空格)。
2）输入的字符串中没有空格。
3）特殊输入测试(字符串是个NULL指针、字符串是个空字符串、字符串只有一个空格字符、字符串中只有连续多个空格)。