简明 C 标准库 ¶

导引：C 标准库，学些什么？¶

为什么要学标准库？¶

有一个粗浅的理由，就是图方便。假设有下面这个声明在 main 函数中数组：

int a[100];

我们知道，这个数组不会被初始化。如果想要把这个数组全部置为 0，你会怎么写呢？

首先会有的想法肯定是：

for (int i = 0; i < 100; ++i)
    a[i] = 0;

其实标准库提供了一个函数 memset，用来设置一段内存的值：

memset(a, 0, sizeof(a));

是不是很方便呢？

再来一个例子，把输入中所有的小写字母转换成大写字母。假设输入已经存储在 char 数组 str 中，根据现有的知识，你会不会这样写：

for(int i = 0; i < strlen(str); ++i)
    if ('a' <= str[i] && str[i] <= 'z')
        str[i] -= 'a' - 'A';

其实标准库提供了判断字符大小写的函数，也提供了转换大小写的函数：

for(int i = 0; i < strlen(str); ++i)
    if (islower(str[i]))
        str[i] = toupper(str[i]);

下面的这段代码，是不是比上面的代码简洁，并且一眼看过去就能明白意思呢？

标准库里有什么？¶

每一个标准库会定义这些内容：

• 类型定义
• 宏
• 函数

接下来的每一节是一个标准库，会分为背景、内容、使用三个部分。其中「背景」部分会介绍一些前置知识，「内容」部分会介绍标准库中的内容，「使用」部分会介绍一些使用的例子。「内容」模块中代码段内被注释掉的内容，表示不作要求。

背景知识 ¶

为了能跟上接下来的内容，确认一下大家都有的知识：

• 会阅读函数原型 / 函数声明 / 函数签名（它们说的是一个东西）：

  int main(void);
  

• 指针的概念

  • 内存、内存地址、对象
  • 指针也是一个对象，它的值是一个内存地址

  • 指针具有类型信息，决定了指针的运算方式

    例子

    int p[10];
    char q[10];
    int *p1 = p, *p2 = &p[1];
    char *q1 = q, *q2 = &q[1];
    

    请问，p1 + 1、p2 - p1、q1 + 1、q2 - q1 的值是多少？类型是什么？

    如果直接对他们的值进行加减，结果应当是多少？

  • 数组与指针

    例子

    int a[10];
    int *p;
    

    请问：a、a[0]、&a[0]、&a、*a、p、*p、&p 的类型是什么？

    请问，执行 p = &a 报告

    warning: initialization of `int *` from incompatible pointer type `int (*)[10]`
    

    是什么原因？

  • 多维数组比较复杂，等正文讲完还有时间再回来讲

<ctype.h>¶

头文件 <ctype.h> 声明了几个可以用于识别和转换字符的函数。

背景：ASCII 字符集 ¶

ASCII 字符集中的数字和字母大家应该都很熟了，这边再对两类大家接触比较少的字符分类简单做个介绍。

• 打印字符：0x20 ~ 0x7E
• 控制字符：0x00 ~ 0x1F和 0x7F

内容 ¶

这个头文件中只有函数，没有特别的类型和宏。

这些函数的意义和用法非常显然，因此我也不做注释。

• 字符判断函数

  int isalnum(int c);
  int isalpha(int c);
  // int iscntrl(int c);
  int isdigit(int c);
  // int isgraph(int c);
  int islower(int c);
  // int isprint(int c);
  // int ispunct(int c);
  int isspace(int c);
  int isupper(int c);
  // int isxdigit(int c);
  

• 字符转换函数

  int tolower(int c);
  int toupper(int c);
  

使用 ¶

<ctype.h> 中的函数对 ASCII 字符大致作了如下划分：

控制字符那些不用管，不要求的函数不用管。只要记得 isspace 和 isblank 的区别就行了。

<ctype.h> 的实现：宏与位运算 ¶

#define MEAN(X, Y) (((X) + (Y)) / 2)

int isalnum(int c)
    { /* test for alphanumeric character */
    return (('0' <= c && c <= '9') ||
            ('a' <= c && c <= 'z') ||
            ('A' <= c && c <= 'Z'));
    }

<ctype.h> 中的函数通常使用宏来实现。使用宏实现时需要注意以下因素：

• 虽然宏可能比函数快，但是它们通常会产生更大的代码。如果在很多地方扩展，这个程序可能大到让你无法想象。

• 宏的参数可能会被求值多次，具有副作用的宏参数会导致意外。

  举个例子

  #define SQUARE(X) ((X) * (X))
  SQUARE(x++); // x++ * x++
  

  使用者以为它只会让 x 自增一次，但是实际上它会让 x 自增两次。

  会产生不安全行为的宏

  标准库中，只有 getc 和 putc 可能会产生这种不安全行为。

<ctype.h> 中定义了一个查找表 _Ctype，两个映射表 _Tolower 和 _Toupper。每个字符都被编入查找表中，使用位运算就能判断出字符的类型。

#define _DI 0x20 /* '0'-'9' */
#define _LO 0x10 /* 'a'-'z' */
#define _UP 0x02 /* 'A'-'Z' */
#define _XA 0x200 /* 'a'-'z', 'A'-'Z' */
extern const short *_Ctype, *_Tolower, *_Toupper;
#define isalnum(c) (_Ctype[(int)(c)] & (_DI|_LO|_UP|_XA))
#define tolower(c) _ToLower[(int)(c)]

同样，给出函数版本的实现：

#include <ctype.h>

int isalnum(int c)
    { /* test for alphanumeric character */
    return (_Ctype[c] & (_DI|_LO|_UP|_XA));
    }

下面两幅图分别展示了 _Ctype 和 _Toupper 的样子：

_Ctype

_Toupper

非常地简单，对吧？这可比 'a' <= c && c <= 'z' 这样的判断要快得多。

<math.h>¶

背景知识：函数的定义域与值域 ¶

我们都知道数学函数有定义域和值域，<math.h> 中的函数也有，只是大家平常使用的时候可能不太关注罢了。

• 如果函数的输入参数位于定义域外（比如 asin 输入了不在 \([-1, 1]\) 的值），会发生定义域错误。
• 如果结果不能被表示为 double 值，发生值域错误。上溢返回 HUGE_VAL，下溢返回 0。

内容 ¶

• 宏

  HUGE_VAL
  

  GCC 定义的宏

  INFINITY
  NAN
  

  上面这两个宏起初不在标准库中，由 GCC 定义。

  据说在 C99 以后，INFINITY 被标准库纳入，我没有查证。

• 函数（仅举一些常用的

  double acos(double x);
  double asin(double x);
  double atan(double x);
  double cos(double x);
  double sin(double x);
  double tan(double x);
  double exp(double x);
  double log(double x);
  double log10(double x);
  double pow(double x, double y);
  double sqrt(double x);
  double ceil(double x);
  double fabs(double x);
  double floor(double x);
  

使用 ¶

• 输入输出全都是 double 类型（注意隐式类型转换带来的影响）。
• 三角函数均为弧度制。角度到弧度的转换公式为：\(\theta = \frac{\pi}{180} \times \alpha\)。
• 没有 PI 这个宏。
  • 可以使用 atan(1)*4 代替。
  • GCC 定义了一些数值宏，它们都以 M_ 开头，比如 M_PI。它们默认为 double 类型。如果你需要其他精度，可以添加 l 后缀，比如 M_PIl。

<string.h>¶

背景知识：字符串 ¶

字符串和字符数组一定要区别开来。字符串是以空字符 \0 结尾的字符数组。

char name[13] = "StudyTonight";
char name[10] = {'c','o','d','e','\0'};

内容 ¶

• 类型

  size_t
  

• 宏

  NULL
  

• 函数

  • 复制函数

    void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n);
    void *memmove(void *dest, const void *src, size_t n);
    char *strcpy(char *dest, const char *src);
    char *strncpy(char *dest, const char *src, size_t n);
    

  • 连接函数

    char *strcat(char *dest, const char *src);
    char *strncat(char *dest, const char *src, size_t n);
    

  • 比较函数

    int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);
    int strcmp(const char *s1, const char *s2);
    int strncmp(const char *s1, const char *s2, size_t n);
    

  • 查找函数

    void *memchr(const void *s, int c, size_t n);
    char *strchr(const char *s, int c);
    // size_t strcspn(const char *s1, const char *s2);
    // char *strpbrk(const char *s1, const char *s2);
    // char *strrchr(const char *s, int c);
    // size_t strspn(const char *s1, const char *s2);
    char *strstr(const char *s1, const char *s2);
    // char *strtok(char *s1, const char *s2);
    

  • 其他函数

    void *memset(void *s, int c, size_t n);
    // char *strerror(int errnum);
    size_t strlen(const char *s);
    

使用 ¶

• 有些函数可能返回空指针，记得测试返回的指针。

<stdlib.h>¶

头文件 <stdlib.h> 是一个大杂烩，为了定义和声明那些没有明显归属的宏和函数。我们仅介绍常用的部分：整形数学、算法、文本转换、环境接口和存储分配。

背景：指针的概念 ¶

请先阅读指针笔记。

这里再强调一下声明和 malloc 的区别：

int p;
int *q;
q = &p;
q = (int *)malloc(sizeof(int));

// 一个错误的链表头插入函数
struct Node* create_linked_list() {
    struct Node* head = NULL;
    struct Node* current = (struct Node*)malloc(sizeof(struct Node));
    while (1) {
        int data;
        printf("请输入节点值（输入-1退出）：");
        scanf("%d", &data);
        if (data == -1) {
            break;
        }
        current->data = data;
        current->next = NULL;
        if (head == NULL) {
            head = current;
        } else {
            head->next = current;
        }
    }
    return head;
}

内容 ¶

• 宏

  RAND_MAX
  EXIT_FAILURE
  EXIT_SUCCESS
  

• 函数

  • 伪随机序列产生函数

    int rand(void);
    void srand(unsigned int seed);
    

  • 整数算术函数

    int abs(int n);
    div_t div(int numer, int denom);
    long labs(long n);
    ldiv_t ldiv(long numer, long denom);
    

  • 查找和排序函数

    void *bsearch(const void *key, const void *base, size_t n, size_t size, int (*compar)(const void *, const void *));
    void qsort(void *base, size_t n, size_t size, int (*compar)(const void *, const void *));
    

  • 文本转换（好用的）

    double atof(const char *str);
    int atoi(const char *str);
    long atol(const char *str);
    double strtod(const char *str, char **endptr);
    long strtol(const char *str, char **endptr, int base);
    unsigned long strtoul(const char *str, char **endptr, int base);
    

  • 环境通信（不介绍）

    // void abort(void);
    // int atexit(void (*func)(void));
    // void exit(int status);
    // char *getenv(const char *name);
    // int system(const char *string);
    

  • 内存管理（重难点）

    void *calloc(size_t nobj, size_t size);
    void free(void *ptr);
    void *malloc(size_t size);
    void *realloc(void *ptr, size_t size);
    

    注意，内存拷贝函数却在 <string.h> 中。

• 类型

  div_t // int quot, rem;
  ldiv_t // long quot, rem;
  

使用 ¶

• rand 和 srand 用于产生伪随机数。srand 用于设置随机数种子，rand 用于产生随机数。rand 产生的随机数范围是 \([0, RAND\_MAX]\)。
• abs 和 labs 用于求绝对值。div 和 ldiv 用于求商和余数。

• qsort 的用例：

  int cmpfunc (const void * a, const void * b) {
      return ( *(int*)a - *(int*)b );
  }
  qsort(values, 5, sizeof(int), cmpfunc);
  

• 文本转换函数非常好用。你再也不用写这样的代码了（当然 atoi 函数的具体实现要比这复杂得多）：

  int atoi(char *str) {
      int res = 0;
      for (int i = 0; str[i] != '\0'; ++i)
          res = res * 10 + str[i] - '0';
      return res;
  }
  

• malloc 记得参数是字节数，千万记得乘上 sizeof。为了防止自己忘记，也可以坚持使用 calloc。且它会自动初始化内存为 0。

• realloc 相当于结合了 malloc、memcpy 和 free 的功能。

<stdio.h>¶

背景知识：流 ¶

流的概念 ¶

各种输入输出设备实在是太多了（终端、磁带驱动器、结构化存储设备 ......）。为了统一概念，C 语言中的输入和输出设备全都和逻辑数据流相对应。

流关联到一个特定的文件。

操作系统中的文件 ¶

计算机系统中的文件可以分为两类：

• 文本文件：如果一个文件中的二进制值都是用来表示字符的，那么这个文件就是文本文件。
• 二进制文件：如果一个文件中的二进制值代表其他数据，比如机器语言代码或者数值数据、图片或音乐，这个文件就是二进制文件。

二进制文件存储的内容比较复杂，操作系统不敢随意变动。但文本文件内容简单，各类操作系统早就有了自己的处理方式。

即使到今天，不同操作系统处理文本文件的方式仍然具有差异。

流的类型 ¶

C 语言提供两种流：文本流和二进制流。

• 文本流：程序所见的内容可能和实际内容不同。如果将文件以文本模式打开，那么在读取文件时，会把本地环境表示的换行符或文件结尾映射为 C 语言中的 \n 和 EOF。
• 二进制流：程序所见的内容和实际内容一致。如果将文件以二进制模式打开，那么在读取文件时，会把文件中的每一个字节都映射为 C 语言中的 char。

Rebecca clutched the\r\n
jewel-encrusted scarab\r\n
to her heaving bosom.\r\n
^Z

Rebecca clutched the\n
jewel-encrusted scarab\n
to her heaving bosom.\n

内容 ¶

• 类型

  size_t
  FILE
  fpos_t
  

• 宏

  stderr
  stdin
  stdout
  NULL
  EOF
  SEEK_CUR
  SEEK_END
  SEEK_SET
  // BUFSIZ
  // FOPEN_MAX
  // FILENAME_MAX
  

• 函数

  • 文件操作函数（不做要求）

  // int remove(const char *filename);
  // int rename(const char *old, const char *new);
  // FILE *tmpfile(void);
  

  • 文件访问函数

  int fclose(FILE *stream);
  // int fflush(FILE *stream);
  FILE *fopen(const char *filename, const char *mode);
  FILE *freopen(const char *filename, const char *mode, FILE *stream);
  // void setbuf(FILE *stream, char *buf);
  // int setvbuf(FILE *stream, char *buf, int mode, size_t size);
  

  • 格式化的输入输出函数

  int fprintf(FILE *stream, const char *format, ...);
  int fscanf(FILE *stream, const char *format, ...);
  int printf(const char *format, ...);
  int scanf(const char *format, ...);
  int sprintf(char *str, const char *format, ...);
  int sscanf(const char *str, const char *format, ...);
  // int vfprintf(FILE *stream, const char *format, va_list arg);
  

  • 字符输入输出函数

  // int fgetc(FILE *stream);
  // char *fgets(char *str, int n, FILE *stream);
  // int fputc(int c, FILE *stream);
  int fputs(const char *str, FILE *stream);
  // int getc(FILE *stream);
  int getchar(void);
  // char *gets(char *str);
  // int putc(int c, FILE *stream);
  int putchar(int c);
  int puts(const char *str);
  // int ungetc(int c, FILE *stream);
  

  • 直接输入输出函数（考试不管）

  size_t fread(void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *stream);
  size_t fwrite(const void *ptr, size_t size, size_t nobj, FILE *stream);
  

  • 文件定位函数（考试不管）

  //int fgetpos(FILE *stream, fpos_t *pos);
  int fseek(FILE *stream, long offset, int origin);
  //int fsetpos(FILE *stream, const fpos_t *pos);
  long ftell(FILE *stream);
  void rewind(FILE *stream);
  

  • 错误处理函数（不做要求）

  // void clearerr(FILE *stream);
  // int feof(FILE *stream);
  // int ferror(FILE *stream);
  // void perror(const char *str);
  

使用 ¶

以下是课内内容，仅列出，不做详细介绍：

• printf/ scanf这几个格式化输入 / 输出函数的使用。
• %d、%p 等转换说明的使用。
• \n、\r 等常见转义序列的使用。
• 基本的打开、关闭文件 fopen、fclose 的使用。
• r、w、a、b 等模式的使用。
• 在一个 FILE 中用 fscanf、fprintf 读写数据。
  • fread 和 fwrite 课上应该会讲，但是编程也不会要求的。

下面对几个知识点作一点规范介绍：

%[标志][最小字段宽度][.精度][h/l/L]指定转换类型的字符