學習目標

  • 理解 char 與字元編碼（ASCII）的關係：字元就是小整數。
  • 掌握 getchar / putchar 逐字元 I/O，會寫「讀到 EOF 為止」的標準迴圈。
  • 理解 C 字串的本質：以 '\0' 結尾的 char 陣列，沒有內建的字串型別。
  • 重現 K&R 的四支經典程式：字元計數、行計數、單字計數（wc）、找最長行。
  • 能自己實作 strlen、字串複製等基本操作，理解標準函式庫背後的原理。

對照 K&R 章節

  • K&R §1.5 Character Input and Output（§1.5.1 檔案複製、§1.5.2 字元計數、§1.5.3 行計數、§1.5.4 單字計數）
  • K&R §1.9 Character Arrays（最長行程式、getline/copy）

觀念講解

1. 字元就是小整數（ASCII）

char 存的是字元的編碼值。ASCII 是最通行的編碼：

字元 編碼 字元 編碼
'0'~'9' 48~57 空格 ' ' 32
'A'~'Z' 65~90 換行 '\n' 10
'a'~'z' 97~122 tab '\t' 9
空字元 '\0' 0

三個保證與慣用技巧：

  • '0'~'9' 連續 → c - '0' 得到數字值。
  • ASCII 中大小寫各自連續、相差 32 → c - 'a' + 'A' 轉大寫。
  • '\0' 的值就是 0 → 判斷字串結尾可寫 s[i] != '\0' 或簡寫 s[i]。

2. getchar / putchar 與 EOF

int c;                              /* 必須是 int，不是 char！ */

while ((c = getchar()) != EOF) {    /* K&R 最著名的一行 */
    putchar(c);
}
  • getchar() 每次讀入一個字元；輸入耗盡時回傳特殊值 EOF（定義在 <stdio.h>，通常是 -1）。
  • c 必須宣告為 int：EOF 在所有合法字元值之外，若用 char 接，EOF 可能與某個字元混淆，或者（unsigned char 平台）永遠不等於 EOF 造成無窮迴圈。
  • (c = getchar()) != EOF：先指定、再比較。括號必要，因為 != 優先於 =。
  • 終端機下手動送 EOF：macOS/Linux 按 Ctrl-D，Windows 按 Ctrl-Z 加 Enter。
  • 用管線或重導測試最方便：echo "hello" | ./prog、./prog < file.txt。

3. C 字串 = '\0' 結尾的 char 陣列

char s[] = "hi";        /* 編譯器自動加 '\0'：{ 'h', 'i', '\0' }，長度 3！ */
索引 0 1 2
內容 'h' 'i' '\0'
  • 字串常值 "hi" 佔 3 個 byte：兩個字元加一個終止符。
  • '\0' 是「哨兵」：所有字串函式靠它知道字串在哪裡結束。
  • 忘了 '\0'，printf("%s")、strlen 等會一路讀到記憶體深處——經典災難。
  • 區分：'a' 是字元常數（int 值 97）；"a" 是字串（兩個 byte：'a'、'\0'）。

4. K&R 四大經典程式的核心

字元計數（§1.5.2）：

long nc = 0;
while (getchar() != EOF)
    ++nc;

行計數（§1.5.3）：數換行字元就是數行數：

if (c == '\n')
    ++nl;

單字計數 wc（§1.5.4）：狀態機的初體驗——用 IN/OUT 狀態記住「目前在單字內還是單字外」， 從外進內的瞬間就是「新單字開始」：

if (c == ' ' || c == '\n' || c == '\t')
    state = OUT;
else if (state == OUT) {
    state = IN;
    ++nw;                       /* 只在「進入單字」時 +1 */
}

最長行（§1.9）：組合 getline（讀一行進陣列，回傳長度）與 copy（複製字串）， 示範「函式 + 字元陣列」的協作。

5. 自己寫 strlen 與 copy

理解字串的最好方法是自己實作標準函式：

int my_strlen(const char s[])
{
    int i = 0;
    while (s[i] != '\0')        /* 一路數到哨兵 */
        ++i;
    return i;                   /* '\0' 不算在長度內 */
}

void my_strcpy(char to[], const char from[])
{
    int i = 0;
    while ((to[i] = from[i]) != '\0')   /* 指定的值順便當條件：連 '\0' 一起搬 */
        ++i;
}

注意 my_strcpy 的巧妙：to[i] = from[i] 的值恰好是剛搬的字元， 搬到 '\0'（值為 0，即「假」）時迴圈自然結束——'\0' 已經複製完才停。 另外：目的陣列必須夠大，C 不會幫你檢查——這是緩衝區溢位的根源，永遠要心中有數。

範例程式

檔案 內容 編譯與執行
01_char_ascii.c 字元與 ASCII：編碼表、大小寫轉換、數字字元轉數值 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 01_char_ascii 01_char_ascii.c && ./01_char_ascii
02_getchar_count.c getchar 讀 stdin 到 EOF：字元/行/單字計數（K&R wc），無輸入也能正常結束 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 02_getchar_count 02_getchar_count.c && echo "hello world" \| ./02_getchar_count
03_longest_line.c K&R §1.9 最長行程式：getline + copy，用寫死的多行文字示範 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 03_longest_line 03_longest_line.c && ./03_longest_line
04_my_string_funcs.c 自製 strlen / strcpy / strcat / 比較 / 反轉，並與 <string.h> 對照驗證 cc -std=c11 -Wall -Wextra -o 04_my_string_funcs 04_my_string_funcs.c && ./04_my_string_funcs

常見錯誤與陷阱

陷阱 1：用 char 接 getchar 的回傳值

char c;                             /* 錯：裝不下 EOF */
while ((c = getchar()) != EOF) ...  /* 可能無窮迴圈或提早結束 */

修正：int c;。getchar 的回傳型別本來就是 int，正是為了容納 EOF。

陷阱 2：字元陣列忘了留 '\0' 的位置

char name[5] = "hello";     /* 錯！"hello" 需要 6 bytes（5 字元 + '\0'） */

clang 會警告初始化字串放不下終止符。修正：char name[6] 或直接 char name[] = "hello";。

陷阱 3：用 == 比較字串

char a[] = "cat", b[] = "cat";
if (a == b) { ... }         /* 恆假：比較的是兩個陣列的「位址」 */

修正：逐字元比較，或用 <string.h> 的 strcmp（相等時回傳 0：if (strcmp(a, b) == 0)）。

陷阱 4：對字串常值動手腳

char *s = "hello";
s[0] = 'H';                 /* 未定義行為：字串常值可能放在唯讀記憶體 */

修正：需要修改就用陣列 char s[] = "hello";（複製一份到可寫的陣列）； 指向字串常值的指標一律宣告成 const char *s。

陷阱 5：目的緩衝區不夠大

char small[4];
my_strcpy(small, "a very long string");   /* 溢位：寫爆別人的記憶體 */

C 不做邊界檢查。修正：確保目的地夠大（來源長度 + 1），實務上使用有長度上限的版本 （strncpy、snprintf——中階單元詳談）。

練習題

  1. 基本題：印出 'A'~'Z' 的 ASCII 對照表（字元與數值），每列 6 組。
  2. 大小寫轉換：不用 <ctype.h>，自己寫 to_upper(char c) 與 to_lower(char c)（非字母的字元原樣回傳），對字串 "Hello, World 123!" 逐字元轉換印出。
  3. 回文判斷：寫 int is_palindrome(const char s[])，判斷 "level"、"radar"、"hello"（提示：雙索引從頭尾夾擠，先用自製 strlen 求長度）。
  4. 移除空白（K&R 習題 1-18 精神）：把字串中的連續空白壓縮成單一空白，如 "a b c" → "a b c"。
  5. 自製 atoi：寫 int my_atoi(const char s[])，把 "1234" 轉成整數 1234（提示：result = result * 10 + (s[i] - '0')）；行有餘力處理前導空白與正負號。
  6. 挑戰題（單字直方圖，K&R 習題 1-13）：統計一段寫死文字中每個「單字長度」的出現次數，畫出直方圖（需要 wc 的狀態機 + 陣列計數的組合）。

延伸閱讀

  • K&R 2/e §1.5、§1.9；習題 1-8 ~ 1-13、1-16 ~ 1-19
  • man ascii：終端機裡直接查 ASCII 表
  • <ctype.h>：isdigit、isalpha、toupper 等標準分類函式（下個階段的工具）
  • 《The Practice of Programming》§3：狀態機與文字處理
  • 下一單元預告：printf/scanf 完整格式化——把輸出入練到精通