经典算法重温：如何用“双指针”优雅地反转字符串

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在编程世界里，字符串反转是一个“入门级”的经典问题，也是许多面试中考察基本功的常见题目。它看似简单，却蕴含着重要的算法思想。今天，我们就来深入探讨实现字符串反转最高效、最直观的方法之一——双指针法（或称头尾指针法）。

核心思想：对称交换

想象一下，如何手动反转一个单词，比如 “hello”？

你可能会下意识地把第一个字符 'h' 和最后一个字符 'o' 交换位置，得到 “oellh”。接着，你把第二个字符 'e' 和倒数第二个字符 'l' 交换，得到 “olleh”。当处理到中间的 'l' 时，它没有可以交换的对象，于是整个过程结束。

这就是字符串反转的核心思想：以字符串的中心为轴，对称地交换两端的字符。

这个过程可以通过设置两个指针来完美模拟：

1. 一个指针 begin 指向字符串的开头。
2. 另一个指针 end 指向字符串的结尾。
3. 交换 begin 和 end 指向的字符。
4. 将 begin 向右移动一位，end 向左移动一位。
5. 重复这个过程，直到 begin 指针越过或等于 end 指针。

(这是一个描述双指针移动和交换过程的示意图)

C 语言函数实现详解

让我们遵循一个健壮的软件开发流程，将这个思想转化为具体的 C 语言代码。

1. 函数设计与参数验证

我们首先设计一个函数，它直接在原始字符串上进行修改（in-place modification），这样可以节省内存空间。

• 函数原型：int reverse_string(char *str)
• 参数：char *str 是一个指向待反转字符串的指针。
• 返回值：返回一个整型状态码。按照惯例，0 表示成功，负数（如 -1）表示失败。

在函数的一开始，进行参数验证是至关重要的好习惯。如果传入的字符串指针是 NULL，我们的程序就会崩溃。所以，必须先检查它。

#include <stdio.h>
#include <string.h> // 需要 strlen 函数

/**
 * @brief 使用双指针法反转字符串
 * @param str 待反转的字符串
 * @return int 0表示成功, -1表示失败 (如传入空指针)
 */
int reverse_string(char *str) {
    // 1. 参数有效性验证
    if (str == NULL) {
        return -1; // 数据源有问题，直接返回错误码
    }
    // ... 核心逻辑将在下一步实现 ...
}

2. 初始化指针与循环条件

接下来，我们初始化 begin 和 end 指针，并设置循环。

• begin 指针：char *begin = str;
• end 指针：char *end = str + strlen(str) - 1;

• 这里需要注意，strlen() 返回字符串的长度，但 C 语言的数组下标从 0 开始。所以最后一个字符的地址是 首地址 + 长度 - 1。

• 循环条件：while (begin < end)
• 当 begin 在 end 的左边时，循环继续。如果字符串长度是奇数，它们最终会指向同一个中心字符，此时 begin 不再小于 end，循环停止，中心字符不需要交换。如果长度是偶数，它们最后会交错而过，循环也会停止。

3. 核心逻辑：字符交换

这是整个算法最核心的部分。在循环内部，我们执行三个步骤：

1. 用一个临时变量 temp 存下 begin 指针指向的字符。
2. 将 end 指针指向的字符赋值给 begin 指针指向的位置。
3. 将 temp 中保存的原始字符赋值给 end 指针指向的位置。

为什么必须用临时变量？ 如果直接写 *begin = *end; 和 *end = *begin;，在第一步执行后，*begin 的原始值就已经被覆盖了，第二步赋给 *end 的将是错误的值。

// (接上文)
// 2. 初始化指针
char *begin = str;
char *end = str + strlen(str) - 1;
char temp; // 用于交换的临时变量

// 3. 循环交换
while (begin < end) {
    // 交换 begin 和 end 指向的字符
    temp = *begin;
    *begin = *end;
    *end = temp;

    // 移动指针
    begin++;
    end--;
}

// 4. 操作成功，返回0
return 0;

完整代码示例与运行结果

现在，我们将所有部分组合起来，并编写一个 main 函数来调用和测试我们的 reverse_string 函数。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

/**
 * @brief 使用双指针法反转字符串 (in-place)
 * 
 * @param str 待反转的字符串
 * @return int 0表示成功, -1表示失败 (如传入空指针)
 */
int reverse_string(char *str) {
    // 1. 参数有效性验证
    if (str == NULL) {
        return -1;
    }

    // 2. 初始化指针
    char *begin = str;
    char *end = str + strlen(str) - 1;
    char temp;

    // 3. 核心逻辑：循环交换
    // 当左指针在右指针左边时，持续交换
    while (begin < end) {
        // 使用临时变量交换字符
        temp = *begin;
        *begin = *end;
        *end = temp;

        // 移动指针，向中间靠拢
        begin++;
        end--;
    }

    // 4. 操作成功
    return 0;
}

// 主程序，用于调用和测试
int main() {
    char str1[] = "hello world";
    char str2[] = "abcdef";
    char str3[] = "a"; // 单字符字符串
    char str4[] = "";  // 空字符串
    
    printf("原始字符串: "%s"
", str1);
    if (reverse_string(str1) == 0) {
        printf("反转后字符串: "%s"

", str1);
    }

    printf("原始字符串: "%s"
", str2);
    if (reverse_string(str2) == 0) {
        printf("反转后字符串: "%s"

", str2);
    }
    
    printf("原始字符串: "%s"
", str3);
    if (reverse_string(str3) == 0) {
        printf("反转后字符串: "%s"

", str3);
    }

    printf("原始字符串: "%s"
", str4);
    if (reverse_string(str4) == 0) {
        printf("反转后字符串: "%s"

", str4);
    }
    
    // 测试错误处理
    char *str5 = NULL;
    printf("测试NULL指针...
");
    if (reverse_string(str5) == -1) {
        printf("函数成功捕获了NULL指针错误。
");
    }

    return 0;
}

运行结果

编译并运行上述代码，你将得到以下输出，清晰地展示了函数对不同类型字符串的处理能力：

原始字符串: "hello world"
反转后字符串: "dlrow olleh"

原始字符串: "abcdef"
反转后字符串: "fedcba"

原始字符串: "a"
反转后字符串: "a"

原始字符串: ""
反转后字符串: ""

测试NULL指针...
函数成功捕获了NULL指针错误。

结果表明，我们的函数不仅能正确反转奇数和偶数长度的字符串，还能优雅地处理边界情况，如单个字符、空字符串以及无效的 NULL 输入。