如何在MATLAB中拼接字符串？(多种方法)

MATLAB 中拼接字符串的 N 种境界：从入门到精通

摘要：字符串拼接是 MATLAB 编程中一项基础且至关重要的操作，广泛应用于数据处理、文件命名、图形标注、用户界面开发等众多场景。MATLAB 提供了多种方法来实现字符串的拼接，从经典的字符数组操作到现代化的 string 类型运算，各有其特点和适用范围。本文将详细探讨 MATLAB 中实现字符串拼接的多种主流方法，包括使用方括号 []、strcat 函数、sprintf 函数、加号 + 运算符（针对 string 类型）以及 join 函数，并深入分析它们的语法、行为、优缺点、适用场景以及注意事项，旨在帮助读者全面掌握 MATLAB 字符串拼接技术，并根据实际需求选择最优方案。

关键词：MATLAB, 字符串拼接, 字符串连接, char, string, strcat, sprintf, join, 运算符重载

1. 引言

在科学计算和数据分析领域，MATLAB 以其强大的数值计算能力、丰富的工具箱和便捷的可视化功能而备受青睐。在日常的 MATLAB 编程实践中，我们经常需要处理文本数据，而字符串拼接（或称字符串连接）则是处理文本数据时最基本的操作之一。无论是动态生成文件名以保存结果、构建复杂的绘图标题或标签、组合数据库查询语句，还是在图形用户界面（GUI）中显示动态信息，都离不开字符串的拼接。

MATLAB 的发展历程中，处理字符串的方式也经历了演变。早期版本主要依赖于字符数组（char array），而较新的版本（R2016b 及以后）引入了功能更强大、使用更便捷的 string 类型。这两种数据类型在拼接操作上有着不同的机制和推荐方法。因此，全面了解各种拼接方法对于编写高效、健壮且易于维护的 MATLAB 代码至关重要。

本文的目标是系统性地梳理和介绍 MATLAB 中可用的字符串拼接方法，涵盖从基础到进阶的多种技术。我们将逐一解析以下几种核心方法：

1. 方括号 [] (Horizontal Concatenation)：最基本、最直观的字符数组拼接方式。
2. strcat 函数：专门为字符串拼接设计的函数，对字符数组和单元格数组有特定行为。
3. sprintf 函数：功能强大的格式化输出函数，也可用于灵活的字符串拼接和类型转换。
4. 加号 + 运算符 (for string arrays)：针对现代 string 类型设计的直观拼接运算符。
5. join 函数：用于将字符串数组或单元格数组的元素连接成单个字符串，通常带有分隔符。

通过对这些方法的详细介绍、实例演示和对比分析，读者将能够深入理解它们的工作原理和适用场景，从而在实际编程中游刃有余地选择和运用最合适的字符串拼接技术。

2. 方法一：使用方括号 [] 进行水平拼接

方括号 [] 是 MATLAB 中用于创建和连接数组（包括数值数组、逻辑数组、字符数组等）的基本运算符。当用于字符数组时，它执行的是水平拼接（Horizontal Concatenation）。

语法：
matlab
new_char_array = [char_array1, char_array2, ..., char_arrayN];

工作原理：
该方法将多个字符数组（必须是行向量，即 1xN 维）像积木一样左右并列排放，形成一个新的、更长的字符数组。

示例：
```matlab
firstName = 'John'; % 1x4 char array
lastName = 'Doe'; % 1x3 char array
space = ' '; % 1x1 char array

% 使用方括号拼接
fullName = [firstName, space, lastName];

disp(fullName);
% 输出: John Doe

disp(['Class of fullName: ', class(fullName)]);
% 输出: Class of fullName: char

% 拼接字符数组与需要转换的数字
year = 2024;
label = ['Report generated on: ', num2str(year)]; % 注意：数字需要用 num2str 转换
disp(label);
% 输出: Report generated on: 2024
```

优点：
* 直观简单：语法非常自然，易于理解和使用，尤其对于简单的拼接任务。
* 基础操作：是 MATLAB 数组操作的基础，适用于所有版本的 MATLAB。

缺点与注意事项：
* 仅限字符数组：主要设计用于 char 类型的数组。如果尝试直接拼接其他类型（如数字）而不进行转换（如使用 num2str, int2str），会引发错误或得到非预期的 ASCII 码结果。
* 维度要求：参与拼接的必须都是字符数组行向量（或可以自动转换为空格填充的二维字符数组，但这通常不用于简单拼接）。
* 空格处理：完全按照原样拼接，不会自动添加或删除空格。需要手动插入空格字符 ' ' 来分隔单词。
* 对 string 类型不适用：直接用 [] 拼接 string 类型的变量不会按预期工作，可能会尝试创建 string 数组而非拼接内容。

适用场景：
适用于对 char 类型的字符串进行简单、直接的拼接，特别是当你需要精确控制包含的空格时。在处理旧代码或需要与仅支持 char 的函数交互时仍然常用。

3. 方法二：使用 strcat 函数

strcat (String Concatenate) 是 MATLAB 专门提供的用于拼接字符串的函数。它在处理字符数组和单元格数组（Cell Array）时有特定的行为。

语法：
matlab
new_string = strcat(s1, s2, ..., sN);
其中 s1, s2, ..., sN 可以是字符数组或单元格数组。

工作原理：
* 对于字符数组：strcat 会首先移除输入字符数组参数末尾的空白字符（空格、制表符、换行符等），然后再将它们连接起来。这是与 [] 最显著的区别。
* 对于单元格数组：如果输入参数是相同大小的单元格数组，strcat 会执行逐元素（element-wise）的拼接。如果包含标量字符数组，它会与单元格数组的每个元素进行拼接（广播）。

示例：
```matlab
str1 = 'Hello '; % 注意末尾有空格
str2 = ' World'; % 注意开头有空格
space = ' ';

% 使用 strcat 拼接字符数组
result_strcat_char = strcat(str1, space, str2);
disp(result_strcat_char);
% 输出: Hello World (str1 末尾空格被移除，str2 开头空格保留)

disp(['Class of result_strcat_char: ', class(result_strcat_char)]);
% 输出: Class of result_strcat_char: char

% 对比方括号的行为
result_bracket_char = [str1, space, str2];
disp(result_bracket_char);
% 输出: Hello World (所有空格都保留)

% 使用 strcat 拼接单元格数组
cell1 = {'File', 'Data'};
cell2 = {'_A', '_B'};
result_strcat_cell = strcat(cell1, cell2);
disp(result_strcat_cell);
% 输出:
% 'File_A' 'Data_B'

disp(['Class of result_strcat_cell: ', class(result_strcat_cell)]);
% 输出: Class of result_strcat_cell: cell

% 混合标量字符数组和单元格数组
prefix = 'Run_';
numbers = {'1', '2', '3'};
run_names_strcat = strcat(prefix, numbers);
disp(run_names_strcat);
% 输出:
% 'Run_1' 'Run_2' 'Run_3'
```

优点：
* 处理尾随空格：自动移除输入字符数组的尾随空格，有时可以简化代码（但也可能导致意外结果，需注意）。
* 单元格数组支持：能够方便地对单元格数组进行元素级拼接。
* 函数形式：更明确地表达了“拼接”的意图。

缺点与注意事项：
* 尾随空格移除：这个特性是一把双刃剑。如果需要保留尾随空格，strcat 就不适用。
* 前导空格保留：strcat 只移除尾随空格，不移除前导空格。
* 对 string 类型不直接适用：虽然 strcat 可以接受 string 输入，但它的行为可能不如专门为 string 设计的操作符直观，且通常返回 char 或 cell。对于 string 类型的拼接，通常推荐使用 + 或 join。

适用场景：
适用于需要自动去除字符数组末尾空白再拼接的场景，以及对单元格数组进行元素级拼接的场景。

4. 方法三：使用 sprintf 函数

sprintf (String Print Formatted) 函数源自 C 语言，主要用于创建格式化的字符串。虽然其主要目的是格式化输出，但它也是一种非常灵活和强大的字符串拼接工具，尤其擅长将数值类型转换为字符串并嵌入到文本中。

语法：
matlab
new_string = sprintf(formatSpec, A1, A2, ..., An);
* formatSpec：一个包含普通文本和格式说明符（如 %s 代表字符串，%d 代表整数，%f 代表浮点数，%.2f 代表保留两位小数的浮点数等）的字符数组或 string。
* A1, A2, ..., An：与格式说明符一一对应的待插入的值（可以是字符串、数字等）。

工作原理：
sprintf 按照 formatSpec 中的格式说明符，将后续参数 A1, ..., An 格式化为文本，并替换掉 formatSpec 中的相应说明符，最终生成一个完整的字符串。

示例：
```matlab
item = 'apples';
quantity = 12;
price = 1.5;

% 使用 sprintf 拼接字符串和数字，并控制格式
message = sprintf('We have %d %s costing $%.2f each.', quantity, item, price);
disp(message);
% 输出: We have 12 apples costing $1.50 each.

disp(['Class of message: ', class(message)]);
% 输出: Class of message: char (sprintf 默认返回 char)

% 仅拼接字符串
str1 = "Data"; % 使用 string 类型
str2 = "Analysis";
result_sprintf = sprintf('%s %s Report', str1, str2); % %s 可以接受 char 和 string
disp(result_sprintf);
% 输出: Data Analysis Report

% 生成带编号的文件名
baseName = 'results_';
fileIndex = 5;
fileName = sprintf('%s%03d.txt', baseName, fileIndex); % %03d 表示3位整数，不足补零
disp(fileName);
% 输出: results_005.txt
```

优点：
* 格式化控制：提供对数字格式（精度、宽度、填充等）和其他数据类型的精细控制。
* 类型自动转换：在格式说明符的指导下，能自动将数字等类型转换为字符串形式。
* 灵活性高：可以构建非常复杂的输出字符串结构。
* 广泛兼容：源自 C 语言，概念易于被有其他编程背景的用户理解。

缺点与注意事项：
* 语法相对复杂：需要理解并记忆各种格式说明符。
* 易出错：格式说明符的数量和类型必须与后续参数严格匹配，否则会报错。
* 性能：对于非常简单的纯字符串拼接，可能比 [] 或 + 稍慢（但在大多数应用中差异可忽略）。
* 返回类型：通常返回 char 数组，即使输入包含 string 类型（除非 formatSpec 本身是 string 且没有格式说明符被实际使用，但这不常见）。

适用场景：
当你需要在字符串中嵌入格式化的数字、控制输出精度、宽度或填充，或者构建结构复杂的包含多种数据类型的字符串时，sprintf 是极其有用的工具。它在生成报告、日志信息、文件名等方面表现出色。

5. 方法四：使用加号 + 运算符（针对 string 数组）

从 MATLAB R2016b 开始，引入了新的 string 数据类型，旨在提供比传统 char 数组更现代、更方便的文本处理方式。string 类型重载了加号 + 运算符，使其可以直接用于字符串的拼接。

语法：
matlab
new_string = string1 + string2 + ... + stringN;
其中 string1, string2, ... 必须是 string 类型的标量或数组，或者可以被隐式转换为 string 的类型（如数字、逻辑值）。

工作原理：
加号 + 运算符将两个或多个 string 变量（或可转换的值）连接起来，形成一个新的 string。如果操作数是 string 数组，则会执行元素级拼接（需要兼容的数组大小或其中一个是标量）。MATLAB 会自动处理数字到字符串的转换。

示例：
```matlab
% 使用双引号创建 string 变量
s1 = "Hello";
s2 = "World";
s_space = " ";

% 使用 + 运算符拼接 string
greeting = s1 + s_space + s2 + "!";
disp(greeting);
% 输出: "Hello World!"

disp(['Class of greeting: ', class(greeting)]);
% 输出: Class of greeting: string

% 拼接 string 和数字 (自动转换)
value = 42;
report = "The answer is: " + value; % 数字 42 被自动转为 "42"
disp(report);
% 输出: "The answer is: 42"

% 拼接 string 数组
prefixes = ["A", "B", "C"];
suffixes = ["_1", "_2", "_3"];
combined = prefixes + suffixes;
disp(combined);
% 输出:
% 1×3 string array
% "A_1" "B_2" "C_3"

% 标量扩展
base = "File_";
indices = [1, 2, 3]; % 数值数组
fileNames_plus = base + indices + ".dat"; % indices 被自动转换为 ["1", "2", "3"]
disp(fileNames_plus);
% 输出:
% 1×3 string array
% "File_1.dat" "File_2.dat" "File_3.dat"
```

优点：
* 语法直观：使用 + 进行拼接非常自然，符合许多其他编程语言的习惯。
* 自动类型转换：可以方便地将数字、逻辑值等直接与 string 相加，无需显式调用转换函数（如 num2str）。
* string 类型优势：string 类型本身支持缺失值、更高效的内存管理（对某些操作）以及更丰富的内置函数。
* 数组操作：与 MATLAB 的数组运算范式一致，支持元素级运算和标量扩展。

缺点与注意事项：
* 版本要求：需要 MATLAB R2016b 或更高版本。
* 必须是 string：至少有一个操作数需要是 string 类型才能触发 + 的拼接行为。如果两个都是 char 数组，+ 会执行 ASCII 码的加法。
* 性能：对于极大量的拼接操作（例如在循环内反复拼接），虽然 string 类型比 char 在动态增长方面有所优化，但预分配或使用 join 可能仍然是更高效的选择。

适用场景：
在现代 MATLAB 版本（R2016b+）中，当你主要使用 string 类型处理文本时，+ 运算符是推荐的首选方法，因为它简洁、直观，并且能够很好地与其他 MATLAB 特性（如自动类型转换和数组运算）集成。

6. 方法五：使用 join 函数

join 函数主要用于将一个字符串数组（string array）或单元格数组（cell array of strings/char arrays）的所有元素连接成单个字符串，并且可以在元素之间插入指定的分隔符。

语法：
```matlab
% 将数组元素连接成单个 string，无分隔符
new_string = join(str_array);

% 将数组元素连接成单个 string，使用指定分隔符
new_string = join(str_array, delimiter);

% 也可以指定连接的维度 (较少用于一维拼接)
% new_string = join(str_array, delimiter, dim);
``
*str_array：一个string数组或包含字符向量/字符串的单元格数组。
*delimiter（可选）：一个字符向量或string，用作插入到str_array` 元素之间的分隔符。默认为无分隔符。

工作原理：
join 遍历输入数组的元素（默认按列优先，然后是行，对一维数组就是按顺序），将它们连接起来。如果提供了 delimiter，则在每两个相邻元素之间插入该分隔符。最终结果通常是一个 1x1 的 string 标量（除非指定了不同的连接维度）。

示例：
```matlab
words = ["This", "is", "a", "sentence"]; % string 数组

% 使用 join 连接，无分隔符
joined_no_delim = join(words);
disp(joined_no_delim);
% 输出: "Thisisasentence"

% 使用 join 连接，以空格作为分隔符
joined_with_space = join(words, " ");
disp(joined_with_space);
% 输出: "This is a sentence"

% 使用 join 连接，以逗号和空格作为分隔符
joined_with_comma_space = join(words, ", ");
disp(joined_with_comma_space);
% 输出: "This, is, a, sentence"

% 处理单元格数组
parts = {'Path', 'to', 'my', 'file.txt'};
filePath_cell = join(parts, '/'); % 使用 '/' 作为分隔符
disp(filePath_cell);
% 输出: "Path/to/my/file.txt"
% 注意：即使输入是 cell array，join 通常返回 string 类型

disp(['Class of filePath_cell: ', class(filePath_cell)]);
% 输出: Class of filePath_cell: string

% 连接数字（需要先转为 string 或 cellstr）
numbers_vec = [1, 2, 3, 4, 5];
numbers_str = string(numbers_vec); % 先转换为 string 数组
csv_line = join(numbers_str, ",");
disp(csv_line);
% 输出: "1,2,3,4,5"
```

优点：
* 处理数组元素：专门设计用于将数组（string 或 cell）的元素连接成单个字符串，非常适合处理列表、路径片段等。
* 分隔符控制：可以轻松指定任意分隔符，方便生成 CSV 行、URL、文件路径等格式化文本。
* 代码清晰：明确表达了“将集合元素连接起来”的意图。
* 返回 string：通常返回现代的 string 类型，便于后续处理。

缺点与注意事项：
* 不适用于任意变量拼接：join 的主要输入是一个数组，而不是像 strcat 或 + 那样可以接受多个独立的变量参数进行拼接。你需要先将要拼接的内容放入一个 string 数组或 cell 数组。
* 版本要求：join 函数也是较新版本 MATLAB（约 R2013b 引入基础功能，后续版本功能增强，特别是对 string 的支持在 R2016b 之后更完善）的功能。

适用场景：
当你有一个包含多个文本片段的数组（string 数组或 cell 数组），并希望将这些片段连接成一个单一的字符串，特别是需要在它们之间插入统一的分隔符时，join 是最理想的选择。常用于构建文件路径、生成逗号分隔值（CSV）行、组合命令行参数等。

7. 如何选择合适的方法？

面对如此多的选择，如何决定在特定情况下使用哪种方法呢？以下是一些指导原则：

• 代码现代化与版本：

  • 如果你使用的是 R2016b 或更新版本的 MATLAB，并且正在处理或希望使用 string 类型，那么 + 运算符 通常是最简洁、最直观的选择，尤其是对于混合 string 和数字的拼接。
  • 如果你需要将 string 数组或 cell 数组的元素用分隔符连接起来，join 函数 是最佳选择。

• 处理传统 char 数组：

  • 对于简单的、不需要特殊处理空格的 char 数组拼接，方括号 [] 是最基本、有时也是最高效的方法。
  • 如果需要自动移除 char 数组末尾的空格，或者需要对 cell 数组进行元素级拼接，可以考虑 strcat 函数，但要特别注意其空格处理行为。

• 格式化与类型转换：

  • 当拼接涉及复杂的数值格式化（如精度、宽度、补零），或者需要将多种不同类型的数据（数字、逻辑值等）整合到一个字符串中时，sprintf 函数 无疑是最强大和灵活的工具，尽管其语法稍显复杂。

• 代码可读性与意图：

  • + 和 join 通常能提供更清晰的代码意图，前者表示直接相加连接，后者表示聚合数组元素。
  • [] 虽然简单，但在复杂场景下可能不如函数调用或 + 运算符那样易于阅读。
  • strcat 的意图也很明确，但其特殊的空格处理规则需要调用者了解。
  • sprintf 的意图是格式化，附带了拼接功能。

• 性能考量：

  • 对于绝大多数日常应用，这些方法之间的性能差异通常可以忽略不计。
  • 但在极端情况下，例如在非常大的循环中反复拼接字符串，性能可能成为考量因素。传统上，在循环中用 [] 拼接 char 数组可能导致效率低下（因为每次拼接都可能需要重新分配内存）。string 类型的 + 操作和预分配结合 join 通常表现更好。对于性能敏感的应用，建议进行基准测试（profiling）。

决策树（简化版）：

1. 使用 R2016b+ 且偏好 string 类型？
   • 是 -> 使用 + 运算符 进行通用拼接。
   • 是，且需要将数组元素用分隔符连接？ -> 使用 join 函数。
   • 否（或需要处理旧代码/char） -> 继续下一步。
2. 需要精细控制数字格式或混合多种数据类型？
   • 是 -> 使用 sprintf 函数。
   • 否 -> 继续下一步。
3. 处理 char 数组，需要移除末尾空格或进行 cell 数组元素级拼接？
   • 是 -> 使用 strcat 函数 (注意空格规则)。
   • 否 -> 继续下一步。
4. 进行简单的 char 数组水平拼接，且不需要特殊空格处理？
   • 是 -> 使用方括号 []。

8. 高级注意事项与最佳实践

• 避免在循环中低效拼接：尤其对于 char 数组，避免在循环内部反复使用 [] 来增长字符串，这可能导致性能问题。可以考虑：

  • 预分配：如果知道最终字符串的大致长度，可以先创建一个足够大的 char 数组，然后填充内容。
  • 单元格数组累积：在循环中将各个片段存储在 cell 数组中，循环结束后再一次性使用 strjoin (旧版) 或 join (新版) 连接。
  • 使用 string 类型：string 类型在动态增长方面通常比 char 更高效，直接在循环中使用 + 可能比 char 的 [] 好，但大量拼接仍建议考虑 join。

• 类型一致性：尽量保持操作数类型的一致性。虽然 MATLAB 的某些函数和运算符可以处理混合类型，但这可能导致意外的行为或需要额外的转换。使用 string 类型通常能简化这个问题。

• 理解 char vs string：深刻理解 char（字符数组，本质是二维数组）和 string（专门的文本数据类型，可以看作原子单位）的区别，对于选择正确的拼接方法和避免错误至关重要。

• 空格处理意识：明确知道所选方法如何处理前导、尾随和内部空格（[] 保留所有，strcat 去尾随，+ 和 join 基于 string 的行为通常保留，sprintf 取决于格式）。

• 编码问题：虽然在基本拼接中不常见，但在处理来自不同来源或包含非 ASCII 字符的文本时，要注意 MATLAB 的字符编码设置（可以通过 feature('DefaultCharacterSet') 查看），以避免乱码问题。

9. 结论

MATLAB 提供了丰富多样的工具来进行字符串拼接，每种方法都有其独特的优势和适用场景。从基础的方括号 [] 操作，到功能性的 strcat 和 sprintf 函数，再到现代化的 string 类型所支持的 + 运算符和 join 函数，开发者可以根据具体需求（如数据类型、格式化要求、代码风格偏好、MATLAB 版本等）灵活选用。

掌握这些不同的拼接技术，理解它们之间的细微差别，特别是 char 与 string 的行为差异以及空格处理规则，是提升 MATLAB 编程效率和代码质量的关键一步。随着 MATLAB 语言的不断发展，推荐优先考虑使用 string 类型及其对应的 + 和 join 操作，以利用其带来的便捷性和强大功能。然而，了解并适时运用其他传统方法，尤其是在处理遗留代码或需要特定格式化控制时，同样不可或缺。最终，选择最优方法取决于对问题的深刻理解和对可用工具的熟练掌握。通过本文的详细介绍，希望能为读者在 MATLAB 字符串拼接的实践中提供有力的支持和清晰的指引。