【C语言】常用库介绍

标签：常用 函数 int 介绍 C语言 char 参数 time 字符串

在上一篇博文中，我们讲了C语言的知识点，感兴趣的小伙伴可以自行阅读：一文学完C语言【完整版】
在本篇博文中，我们将会介绍C语言一些常用的库和系统函数。

stdio.h

stdio.h是 C 语言的标准 I/O 库，用于读取和写入文件，也用于控制台的输入和输出。

标准 I/O 函数

以下函数用于控制台的输入和输出。

• printf()：输出到控制台，详见《基本语法》一章。
• scanf()：从控制台读取输入，详见《I/O 函数》一章。
• getchar()：从控制台读取一个字符，详见《I/O 函数》一章。
• putchar()：向控制台写入一个字符，详见《I/O 函数》一章。
• gets()：从控制台读取整行输入（已废除），详见《I/O 函数》一章。
• puts()：向控制台写入一个字符串，详见《I/O 函数》一章。

文件操作函数

以下函数用于文件操作，详见《文件操作》一章。

• fopen()：打开文件。
• fclose()：关闭文件。
• freopen()：打开一个新文件，关联一个已经打开的文件指针。
• fprintf()：输出到文件。
• fscanf()：从文件读取数据。
• getc()：从文件读取一个字符。
• fgetc()：从文件读取一个字符。
• putc()：向文件写入一个字符。
• fputc()：向文件写入一个字符。
• fgets()：从文件读取整行。
• fputs()：向文件写入字符串。
• fread()：从文件读取二进制数据。
• fwrite()：向文件写入二进制数据。
• fseek()：将文件内部指针移到指定位置。
• ftell()：获取文件内部指针的当前位置。
• rewind()：将文件内部指针重置到文件开始处。
• fgetpos()：获取文件内部指针的当前位置。
• fsetpos()：设置文件内部指针的当前位置。
• feof()：判断文件内部指针是否指向文件结尾。
• ferror()：返回文件错误指示器的状态。
• clearerr()：重置文件错误指示器。
• remove()：删除文件。
• rename()：文件改名，以及移动文件。

字符串操作函数

以下函数用于操作字符串，详见《字符串操作》一章。

• sscanf()：从字符串读取数据，详见《I/O 函数》一章。
• sprintf()：输出到字符串。
• snprintf()：输出到字符串的更安全版本，指定了输出字符串的数量。

tmpfile()

tmpfile()函数创建一个临时文件，该文件只在程序运行期间存在，除非手动关闭它。它的原型如下。

FILE* tmpfile(void);

tmpfile()返回一个文件指针，可以用于访问该函数创建的临时文件。如果创建失败，返回一个空指针 NULL。

FILE* tempptr;
tempptr = tmpfile();

调用close()方法关闭临时文件后，该文件将被自动删除。

tmpfile()有两个缺点。一是无法知道临时文件的文件名，二是无法让该文件成为永久文件。

tmpnam()

tmpname()函数为临时文件生成一个名字，确保不会与其他文件重名。它的原型如下。

char* tmpname(char* s);

它的参数是一个字符串变量，tmpnam()会把临时文件的文件名复制到这个变量里面，并返回指向该字符串变量的指针。如果生成文件名失败，tmpnam()返回空指针 NULL。

char filename[L_tmpnam];

if (tmpnam(filename) != NULL)
  // 输出诸如 /tmp/filew9PMuZ 的文件名
  printf("%s\n", filename);
else
  printf("Something wrong!\n");

上面示例中，L_tmpnam是stdio.h定义的一个宏，指定了临时文件的文件名长度。

tmpname()的参数也可以是一个空指针 NULL，同样返回指向文件名字符串的指针。

char* filename;
filename = tmpnam(NULL);

上面示例中，变量filename就是tmpnam()生成的文件名。

该函数只是生成一个文件名，稍后可以使用fopen()打开该文件并使用它。

fflush()

fflush()用于清空缓存区。它接受一个文件指针作为参数，将缓存区内容写入该文件。

fflush(fp);

如果不需要保存缓存区内容，则可以传入空指针 NULL。

fflush(NULL);

如果清空成功，fflush()返回0，否则返回 EOF。

注意，fflush()一般只用来清空输出缓存区（比如写文件）。如果使用它来清空输入缓存区（比如读文件），属于未定义行为。

fflush()的一个用途是不等回车键，就强迫输出缓存区。大多数系统都是行缓存，这意味着只有遇到回车键（或者缓存区满了，或者文件读到结尾），缓存区的内容才会输出，fflush()可以不等回车键，立即输出。

for (int i = 9; i >= 0; i--) {
  printf("\r%d", i);
  fflush(stdout);
  sleep(1);
}

上面示例是一个倒计时效果，\r是回车键，表示每轮循环都会回到当前行的行首，等于删除上一轮循环的输出。fflush(stdout)表示立即将缓存输出到显示器，这一行是必需的，否则由于上一行的输出没有回车键，不会触发缓存输出，屏幕上不会显示任何内容，只会等到程序运行结束再一次性输出。

setvbuf()

setvbuf()函数用于定义某个字节流应该如何缓存。它可以接受四个参数。

int setvbuf(FILE* stream, char* buffer, int mode, size_t size)

第一个参数stream是文件流。

第二个参数buffer是缓存区的地址。

第三个参数mode指定缓存的行为模式，它是下面三个宏之一，这些宏都定义在stdio.h。

• _IOFBF：满缓存。当缓存为空时，才从流读入数据；当缓存满了，才向流写入数据。一般情况下，这是默认设置。
• _IOLBF：行缓存。每次从流读入一行数据，或向流写入一行数据，即以行为单位读写缓存。
• _IONBF：无缓存。不使用缓存区，直接读写设备。

第四个参数size指定缓存区的大小。较大的缓存区提供更好的性能，而较小的缓存区可以节省空间。stdio.h提供了一个宏BUFSIZ，表示系统默认的缓存区大小。

它的意义在于，使得用户可以在打开一个文件之前，定义自己的文件缓冲区，而不必使用fopen()函数打开文件时设定的默认缓冲区。

char buffer[N];

setvbuf(stream, buffer, _IOFBF, N);

上面示例设置文件流stream的缓存区从地址buffer开始，大小为N，模式为_IOFBF。

setvbuf()的第二个参数可以为空指针 NULL。这样的话，setvbuf()会自己创建一个缓存区。

注意，setvbuf()的调用必须在对文件流执行任何操作之前。

如果调用成功，setvbuf()的返回值为0，否则返回非零值。

下面的例子是将缓存区调整为行缓存。

FILE *fp;
char lineBuf[1024];

fp = fopen("somefile.txt", "r");
setvbuf(fp, lineBuf, _IOLBF, 1024);

setbuf()

setbuf()是setvbuf()的早期版本，可以视为后者的简化版本，也用来定义某个字节流的缓存区。

void setbuf(FILE* stream, char* buffer);

它的第一个参数stream是文件流，第二个参数buffer是缓存区的地址。

它总是可以改写成setvbuf()。

char buffer[BUFSIZ];

setbuf(stream, buffer);

// 等同于
setvbuf(stream, buffer, _IOFBF, BUFSIZ);

上面示例中，BUFSIZ是stdio.h定义的宏，表示系统默认的缓存区大小。

setbuf()函数没有返回值。

setbuf()的第二个参数如果设置为 NULL，表示不进行缓存。

setbuf(stdout, NULL);

// 等同于
setvbuf(stdout, NULL, _IONBF, 0);

ungetc()

ungetc()将从缓存里面读取的上一个字符，重新放回缓存，下一个读取缓存的操作会从这个字符开始。有些操作需要了解下一个字符是什么，再决定应该怎么处理，这时这个函数就很有用。

它的原型如下。

int ungetc(int c, FILE *stream);

它的第一个参数是一个字符变量，第二个参数是一个打开的文件流。它的返回值是放回缓存的那个字符，操作失败时，返回 EOF。

int ch = fgetc(fp);

if (isdigit(ch)) {
  ch = fgetc(fp);
}

ungetc(ch, fp);

上面示例中，如果读取的字符不是数字，就将其放回缓存。

perror()

perror()用于在 stderr 的错误信息之前，添加一个自定义字符串。

void perror(const char *s);

该函数的参数就是在报错信息前添加的字符串。它没有返回值。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <math.h>
#include <errno.h>

int main(void) {
  int x = -1;

  errno = 0;
  float y = sqrt(x);
  if (errno != 0) {
    perror("sqrt error");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
}

上面示例中，求-1的平方根，导致报错。头文件errno.h提供宏errno，只要上一步操作出错，这个宏就会设置成非零值。perror()用来在报错信息前，加上sqrt error的自定义字符串。

执行上面的程序，就会得到下面的报错信息。

$ gcc test.c -lm
$ ./a.out
sqrt error: Numerical argument out of domain

可变参数操作函数

（1）输出函数

下面是printf()的变体函数，用于按照给定格式，输出函数的可变参数列表（va_list）。

• vprintf()：按照给定格式，输出到控制台，默认是显示器。
• vfprintf()：按照给定格式，输出到文件。
• vsprintf()：按照给定格式，输出到字符串。
• vsnprintf()：按照给定格式，输出到字符串的安全版本。

它们的原型如下，基本与对应的printf()系列函数一致，除了最后一个参数是可变参数对象。

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
    
int vprintf(
  const char * restrict format,
  va_list arg
);

int vfprintf(
  FILE * restrict stream,
  const char * restrict format,
  va_list arg
);
    
int vsprintf(
  char * restrict s,
  const char * restrict format,
  va_list arg
);
    
int vsnprintf(
  char * restrict s,
  size_t n,
  const char * restrict format,
  va_list arg
);

它们的返回值都为输出的字符数，如果出错，返回负值。

vsprintf()和vsnprintf()的第一个参数可以为 NULL，用来查看多少个字符会被写入。

下面是一个例子。

int logger(char *format, ...) {
  va_list va;
  va_start(va, format);
  int result = vprintf(format, va);
  va_end(va);

  printf("\n");

  return result;
}

// 输出 x = 12 and y = 3.20
logger("x = %d and y = %.2f", x, y);

（2）输入函数

下面是scanf()的变体函数，用于按照给定格式，输入可变参数列表 (va_list)。

• vscanf()：按照给定格式，从控制台读取（默认为键盘）。
• vfscanf()：按照给定格式，从文件读取。
• vsscanf()：按照给定格式，从字符串读取。

它们的原型如下，跟对应的scanf()函数基本一致，除了最后一个参数是可变参数对象。

#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
    
int vscanf(
  const char * restrict format,
  va_list arg
);
    
int vfscanf(
  FILE * restrict stream,
  const char * restrict format,
  va_list arg
);
    
int vsscanf(
  const char * restrict s,
  const char * restrict format,
  va_list arg
);

它们返回成功读取的项数，遇到文件结尾或错误，则返回 EOF。

下面是一个例子。

int error_check_scanf(int expected_count, char *format, ...) {
  va_list va;

  va_start(va, format);
  int count = vscanf(format, va);
  va_end(va);

  assert(count == expected_count);

  return count;
}

error_check_scanf(3, "%d, %d/%f", &a, &b, &c);

stdlib.h

类型别名和宏

stdlib.h 定义了下面的类型别名。

• size_t：sizeof 的返回类型。
• wchar_t：宽字符类型。

stdlib.h 定义了下面的宏。

• NULL：空指针。
• EXIT_SUCCESS：函数运行成功时的退出状态。
• EXIT_FAILURE：函数运行错误时的退出状态。
• RAND_MAX：rand() 函数可以返回的最大值。
• MB_CUR_MAX：当前语言环境中，多字节字符占用的最大字节数。

abs()，labs()，llabs()

这三个函数用于计算整数的绝对值。abs()用于 int 类型，labs()用于 long int 类型，llabs()用于 long long int 类型。

int abs(int j);
long int labs(long int j);
long long int llabs(long long int j);

下面是用法示例。

// 输出 |-2| = 2
printf("|-2| = %d\n", abs(-2));

// 输出 |4|  = 4
printf("|4|  = %d\n", abs(4));

div()，ldiv()，lldiv()

这三个函数用来计算两个参数的商和余数。div()用于 int 类型的相除，ldiv()用于 long int 类型的相除，lldiv()用于 long long int 类型的相除。

div_t div(int numer, int denom);
ldiv_t ldiv(long int numer, long int denom);
lldiv_t lldiv(long long int numer, long long int denom);

这些函数把第2个参数（分母）除以第1个参数（分子），产生商和余数。这两个值通过一个数据结构返回，div()返回 div_t 结构，ldiv()返回 ldiv_t 结构，lldiv()返回 lldiv_t 结构。

这些结构都包含下面两个字段，

int　quot;　 //　商
int　rem;　 //　余数

它们完整的定义如下。

typedef struct {
  int quot, rem;
} div_t;
    
typedef struct {
  long int quot, rem;
} ldiv_t;
    
typedef struct {
  long long int quot, rem;
} lldiv_t;

下面是一个例子。

div_t d = div(64, -7);

// 输出 64 / -7 = -9
printf("64 / -7 = %d\n", d.quot);

// 输出 64 % -7 = 1
printf("64 %% -7 = %d\n", d.rem);

字符串转成数值

a 系列函数

stdlib.h定义了一系列函数，可以将字符串转为数字。

• atoi()：字符串转成 int 类型。
• atof()：字符串转成 double 类型。
• atol()：字符串转成 long int 类型。
• atoll()：字符串转成 long long int 类型。

它们的原型如下。

int atoi(const char* nptr);
double atof(const char* nptr);
long int atol(const char* nptr);
long long int atoll(const char* nptr);

上面函数的参数都是一个字符串指针，字符串开头的空格会被忽略，转换到第一个无效字符处停止。函数名称里面的a代表 ASCII，所以atoi()的意思是“ASCII to int”。

它们返回转换后的数值，如果字符串无法转换，则返回0。

下面是用法示例。

atoi("3490")   // 3490
atof("3.141593")   // 3.141593

如果参数是数字开头的字符串，atoi()会只转换数字部分，比如atoi("42regular")会返回整数42。如果首字符不是数字，比如“hello world”，则会返回0。

str 系列函数（浮点数转换）

stdlib.h还定义了一些更强功能的浮点数转换函数。

• strtof()：字符串转成 float 类型。
• strtod()：字符串转成 double 类型。
• strtold()：字符串转成 long double 类型。

它们的原型如下。

float strtof(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr
);

double strtod(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr
);
    
long double strtold(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr
);

它们都接受两个参数，第一个参数是需要转换的字符串，第二个参数是一个指针，指向原始字符串里面无法转换的部分。

• nptr：待转换的字符串（起首的空白字符会被忽略）。
• endprt：一个指针，指向不能转换部分的第一个字符。如果字符串可以完全转成数值，该指针指向字符串末尾的终止符\0。这个参数如果设为 NULL，就表示不需要处理字符串剩余部分。

它们的返回值是已经转换后的数值。如果字符串无法转换，则返回0。如果转换结果发生溢出，errno 会被设置为 ERANGE。如果值太大（无论是正数还是负数），函数返回HUGE_VAL；如果值太小，函数返回零。

char *inp = "   123.4567abdc";
char *badchar;

double val = strtod(inp, &badchar);

printf("%f\n", val); // 123.456700
printf("%s\n", badchar); // abdc

字符串可以完全转换的情况下，第二个参数指向\0，因此可以用下面的写法判断是否完全转换。

if (*endptr == '\0') {
  // 完全转换
} else {
  // 存在无法转换的字符
}

如果不关心没有转换的部分，则可以将 endptr 设置为 NULL。

这些函数还可以将字符串转换为特殊值 Infinity 和 NaN。如果字符串包含 INF 或 INFINITY（大写或小写皆可），则将转换为 Infinity；如果字符串包含 NAN，则将返回 NaN。

str 系列函数（整数转换）

str 系列函数也有整数转换的对应函数。

• strtol()：字符串转成 long int 类型。
• strtoll()：字符串转成 long long int 类型。
• strtoul()：字符串转成 unsigned long int 类型。
• strtoull()：字符串转成 unsigned long long int 类型。

它们的原型如下。

long int strtol(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr,
  int base
);
    
long long int strtoll(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr,
  int base
);
    
unsigned long int strtoul(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr,
  int base
);
    
unsigned long long int strtoull(
  const char* restrict nptr,
  char** restrict endptr, int base
);

它们接受三个参数。

（1）nPtr：待转换的字符串（起首的空白字符会被忽略）。

（2）endPrt：一个指针，指向不能转换部分的第一个字符。如果字符串可以完全转成数值，该指针指向字符串末尾的终止符\0。这个参数如果设为 NULL，就表示不需要处理字符串剩余部分。

（3）base：待转换整数的进制。这个值应该是2到36之间的整数，代表相应的进制，如果是特殊值0，表示让函数根据数值的前缀，自己确定进制，即如果数字有前缀0，则为八进制，如果数字有前缀0x或0X，则为十六进制。

它们的返回值是转换后的数值，如果转换不成功，返回0。

下面是转换十进制整数的例子。

char* s = "3490";
unsigned long int x = strtoul(u, NULL, 10);

printf("%lu\n", x); // 3490

下面是转换十六进制整数的例子。

char* end;

long value = strtol("0xff", &end, 16);
printf("%ld\n", value); // 255
printf("%s\n", end); // 无内容

value = strtol("0xffxx", &end, 16);
printf("%ld\n", value); // 255
printf("%s\n", end); // xx

上面示例中，strtol()可以指定字符串包含的是16进制整数。不能转换的部分，可以使用指针end进行访问。

下面是转换二进制整数的例子。

char* s = "101010";
unsigned long int x = strtoul(s, NULL, 2);

printf("%lu\n", x); // 42

下面是让函数自行判断整数进制的例子。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void) {
  const char* string = "-1234567abc";
  char* remainderPtr;
  long x = strtol(string, &remainderPtr, 0);
  printf("%s\"%s\"\n%s%ld\n%s\"%s\"\n",
    "The original string is ",
    string,
    "The converted value is ",
    x,
    "The remainder of the original string is ",
    remainderPtr
  );
}

上面代码的输出结果如下。

The original string is "-1234567abc"
The converted value is -1234567
The remainder of the original string is "abc"

如果被转换的值太大，strtol()函数在errno中存储ERANGE这个值，并返回LONG_MIN（原值为负数）或LONG_MAX（原值为正数），strtoul()则返回ULONG_MAX。

rand()

rand()函数用来生成 0～RAND_MAX 之间的随机整数。RAND_MAX是一个定义在stdlib.h里面的宏，通常等于 INT_MAX。

// 原型
int rand(void);

// 示例
int x = rand();

如果希望获得整数 N 到 M 之间的随机数（包括 N 和 M 两个端点值），可以使用下面的写法。

int x = rand() % （M - N + 1) + N;

比如，1 到 6 之间的随机数，写法如下。

int x = rand() % 6 + 1;

获得浮点数的随机值，可以使用下面的写法。

// 0 到 0.999999 之间的随机数
printf("0 to 0.99999: %f\n", rand() / ((float)RAND_MAX + 1));

// n 到 m 之间的随机数：
// n + m * (rand() / (float)RAND_MAX)
printf("10.5 to 15.7: %f\n", 10.5 + 5.2 * rand() / (float)RAND_MAX);

上面示例中，由于rand()和RAND_MAX都是 int 类型，要用显示的类型转换转为浮点数。

srand()

rand()是伪随机数函数，为了增加随机性，必须在调用它之前，使用srand()函数重置一下种子值。

srand()函数接受一个无符号整数（unsigned int）作为种子值，没有返回值。

void srand(unsigned int seed);

通常使用time(NULL)函数返回当前距离时间纪元的秒数，作为srand()的参数。

#include <time.h>
srand((unsigned int) time(NULL));

上面代码中，time()的原型定义在头文件time.h里面，返回值的类型是类型别名time_t，具体的类型与系统有关，所以要强制转换一下类型。time()的参数是一个指针，指向一个具体的 time_t 类型的时间值，这里传入空指针NULL作为参数，由于 NULL 一般是0，所以也可以写成time(0)。

abort()

abort()用于不正常地终止一个正在执行的程序。使用这个函数的目的，主要是它会触发 SIGABRT 信号，开发者可以在程序中为这个信号设置一个处理函数。

void abort(void);

该函数没有参数。

exit()，quick_exit()，_Exit()

这三个函数都用来退出当前正在执行的程序。

void exit(int status);
void quick_exit(int status);
void _Exit(int status);

它们都接受一个整数，表示程序的退出状态，0是正常退出，非零值表示发生错误，可以使用宏EXIT_SUCCESS和EXIT_FAILURE当作参数。它们本身没有返回值。

它们的区别是，退出时所做的清理工作不同。exit()是正常退出，系统会做完整的清理，比如更新所有文件流，并且删除临时文件。quick_exit()是快速退出，系统的清理工作稍微少一点。_Exit()是立即退出，不做任何清理工作。

下面是一些用法示例。

exit(EXIT_SUCCESS);
quick_exit(EXIT_FAILURE);
_Exit(2);

atexit()，at_quick_exit()

atexit()用来登记当前程序退出时（调用exit()或main()正常退出），所要执行的其他函数。

at_quick_exit()则是登记使用quick_exit()方法退出当前程序时，所要执行的其他函数。

exit()只能触发atexit()登记的函数，quick_exit()只能触发at_quick_exit()登记的函数。

int atexit(void (*func)(void));
int at_quick_exit(void (*func)(void));

它们的参数是要执行的函数地址，即函数名。它们的返回值都是调用成功时返回0，调用失败时返回非零值。

下面是一个例子。

void sign_off(void);
void too_bad(void);

int main(void) {

  int n;
  atexit(sign_off);　　 /* 注册 sign_off()函数 */

  puts("Enter an integer:");
  if (scanf("%d", &n) != 1) {
    puts("That's no integer!");
    atexit(too_bad);　/* 注册 too_bad()函数 */
    exit(EXIT_FAILURE);
  }

  printf("%d is %s.\n", n, (n % 2 == 0) ? "even" : "odd");
  return 0;
}

void sign_off(void) {
  puts("sign_off");
}

void too_bad(void) {
  puts("too bad");
}

上面示例中，用户输入失败时，会调用sign_off()和too_bad()函数；但是输入成功时只会调用sign_off()。因为只有输入失败时，才会进入if语句登记too_bad()。

另外，如果有多条atexit()语句，函数退出时最先调用的，是最后一个登记的函数。

atexit()登记的函数（如上例的sign_off和too_bad）应该不带任何参数且返回类型为void。通常，这些函数会执行一些清理任务，例如删除临时文件或重置环境变量。

at_quick_exit()也是同样的规则，下面是一个例子。

void exit_handler_1(void) {
  printf("1\n");
}

void exit_handler_2(void) {
  printf("2\n");
}

int main(void) {
  at_quick_exit(exit_handler_1);
  at_quick_exit(exit_handler_2);
  quick_exit(0);
}

执行上面的示例，命令行会先输出2，再输出1。

getenv()

getenv()用于获取环境变量的值。环境变量是操作系统提供的程序之外的一些环境参数。

char* getenv(const char* name);

它的参数是一个字符串，表示环境变量名。返回值也是一个字符串，表示环境变量的值。如果指定的环境变量不存在，则返回 NULL。

下面是输出环境变量$PATH的值的例子。

printf("PATH is %s\n", getenv("PATH"));

system()

system()函数用于执行外部程序。它会把它的参数字符串传递给操作系统，让操作系统的命令处理器来执行。

void system( char const * command );

这个函数的返回值因编译器而异。但是标准规定，如果 NULL 作为参数，表示询问操作系统，是否有可用的命令处理器，如果有的话，返回一个非零值，否则返回零。

下面是执行ls命令的例子。

system("ls -l"); 

内存管理函数

stdlib.h 提供了一些内存操作函数，下面几个函数详见《内存管理》一章，其余在本节介绍。

• malloc()：分配内存区域
• calloc()：分配内存区域。
• realloc()：调节内存区域大小。
• free()：释放内存区域。

aligned_alloc()

很多系统有内存对齐的要求，即内存块的大小必须是某个值（比如64字节）的倍数，这样有利于提高处理速度。aligned_alloc()就用于分配满足内存对齐要求的内存块，它的原型如下。

void* aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);

它接受两个参数。

• alignment：整数，表示内存对齐的单位大小，一般是2的整数次幂（2、4、8、16……）。
• size：整数，表示内存块的大小。

分配成功时，它返回一个无类型指针，指向新分配的内存块。分配失败时，返回 NULL。

char* p = aligned_alloc(64, 256);

上面示例中，aligned_alloc()分配的内存块，单位大小是64字节，要分配的字节数是256字节。

qsort()

qsort()用来快速排序一个数组。它对数组成员的类型没有要求，任何类型数组都可以用这个函数排序。

void qsort(
  void *base,
  size_t nmemb, 
  size_t size,
  int (*compar)(const void *, const void *)
);

该函数接受四个参数。

• base：指向要排序的数组开始位置的指针。
• nmemb：数组成员的数量。
• size：数组每个成员占用的字节长度。
• compar：一个函数指针，指向一个比较两个成员的函数。

比较函数compar将指向数组两个成员的指针作为参数，并比较两个成员。如果第一个参数小于第二个参数，该函数应该返回一个负值；如果两个函数相等，返回0；如果第一个参数大于第二个参数，应该返回一个正数。

下面是一个用法示例。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int compar(const void* elem0, const void* elem1) {
  const int* x = elem0;
  const int* y = elem1; 
  
  return *x - *y;
}

int main(void) {
  int a[9] = {14, 2, 3, 17, 10, 8, 6, 1, 13};

  qsort(a, 9, sizeof(int), compar);

  for (int i = 0; i < 9; i++)
    printf("%d ", a[i]);
  putchar('\n');
}

执行上面示例，会输出排序好的数组“1 2 3 6 8 10 13 14 17”。

bsearch()

bsearch()使用二分法搜索，在数组中搜索一个值。它对数组成员的类型没有要求，任何类型数组都可以用这个函数搜索值。

注意，该方法只对已经排序好的数组有效。

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

这个函数接受5个参数。

• key：指向要查找的值的指针。
• base：指向数组开始位置的指针，数组必须已经排序。
• nmemb：数组成员的数量。
• size：数组每个成员占用的字节长度。
• compar：指向一个将待查找值与其他值进行比较的函数的指针。

比较函数compar将待查找的值作为第一个参数，将要比较的值作为第二个参数。如果第一个参数小于第二个参数，该函数应该返回一个负值；如果两个参数相等，返回0；如果第一个参数大于第二个参数，返回一个正值。

如果找到待查找的值，bsearch()返回指向该值的指针，如果找不到，返回 NULL。

下面是一个用法示例。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int compar(const void *key, const void *value) {
  const int* k = key;
  const int* v = value;

  return *k - *v;
}

int main(void) {
  int a[9] = {2, 6, 9, 12, 13, 18, 20, 32, 47};

  int* r;
  int key;

  key = 12; // 包括在数组中
  r = bsearch(&key, a, 9, sizeof(int), compar);
  printf("Found %d\n", *r);

  key = 30;  // 不包括在数组中
  r = bsearch(&key, a, 9, sizeof(int), compar);
  if (r == NULL)
    printf("Didn't find 30\n");

  return 0;
}

执行上面的示例，会输出下面的结果。

Found 12
Didn't find 30

多字节字符函数

stdlib.h 提供了下面的函数，用来操作多字节字符，详见《多字节字符》一章。

• mblen()：多字节字符的字节长度。
• mbtowc()：将多字节字符转换为宽字符。
• wctomb()：将宽字符转换为多字节字符。
• mbstowcs()：将多字节字符串转换为宽字符串。
• wcstombs()：将宽字符串转换为多字节字符串。

math.h

math.h头文件提供了很多数学函数。

很多数学函数的返回值是 double 类型，但是同时提供 float 类型与 long double 类型的版本，比如pow()函数就还有powf()和powl()版本。

double      pow(double x, double y); 
float       powf(float x, float y);
long double powl(long double x, long double y);

为了简洁，下面就略去了函数的f后缀（float 类型）和l后缀（long double）版本。

类型和宏

math.h 新定义了两个类型别名。

• float_t：（当前系统）最有效执行 float 运算的类型，宽度至少与 float 一样。
• double_t：（当前系统）最有效执行 double 运算的类型，宽度至少与 double 一样。

它们的具体类型可以通过宏FLT_EVAL_METHOD来了解。

FLT_EVAL_METHOD 的值	float_t 对应的类型	double_t 对应的类型
0	float	double
1	double	double
2	long double	long double
其他	由实现决定	由实现决定

math.h 还定义了一些宏。

• INFINITY：表示正无穷，返回一个 float 类型的值。
• NAN：表示非数字（Not-A-Number），返回一个 float 类型的值。

错误类型

数学函数的报错有以下类型。

• Range errors：运算结果不能用函数返回类型表示。
• Domain errors：函数参数不适用当前函数。
• Pole errors：参数导致函数的极限值变成无限。
• Overflow errors：运算结果太大，导致溢出。
• Underflow errors：运算结果太小，导致溢出。

变量math_errhandling提示了当前系统如何处理数学运算错误。

math_errhandling 的值	描述
MATH_ERRNO	系统使用 errno 表示数学错误
MATH_ERREXCEPT	系统使用异常表示数学错误
MATH_ERREXCEPT	系统同时使用两者表示数学错误

数值类型

数学函数的参数可以分成以下几类：正常值，无限值，有限值和非数字。

下面的函数用来判断一个值的类型。

• fpclassify()：返回给定浮点数的分类。
• isfinite()：如果参数不是无限或 NaN，则为真。
• isinf()：如果参数是无限的，则为真。
• isnan()：如果参数不是数字，则为真。
• isnormal()：如果参数是正常数字，则为真。

下面是一个例子。

isfinite(1.23)    // 1
isinf(1/tan(0))   // 1
isnan(sqrt(-1))   // 1
isnormal(1e-310)) // 0

signbit()

signbit()判断参数是否带有符号。如果参数为负值，则返回1，否则返回0。

signbit(3490.0) // 0
signbit(-37.0)  // 1

三角函数

以下是三角函数，参数为弧度值。

• acos()：反余弦。
• asin()：反正弦。
• atan()：反正切
• atan2()：反正切。
• cos()：余弦。
• sin()：正弦。
• tan()：正切。

不要忘了，上面所有函数都有 float 版本（函数名加上 f 后缀）和 long double 版本（函数名加上 l 后缀）。

下面是一个例子。

cos(PI/4) // 0.707107

双曲函数

以下是双曲函数，参数都为浮点数。

• acosh()：反双曲余弦。
• asinh()：反双曲正弦。
• atanh()：反双曲正切。
• cosh()：双曲余弦。
• tanh()：双曲正切。
• sinh()：双曲正弦。

指数函数和对数函数

以下是指数函数和对数函数，它们的返回值都是 double 类型。

• exp()：计算欧拉数 e 的乘方，即 e^x。
• exp2()：计算 2 的乘方，即 2^x。
• expm1()：计算 e^x - 1。
• log()：计算自然对数，exp()的逆运算。
• log2()：计算以2为底的对数。
• log10()：计算以10为底的对数。
• logp1()：计算一个数加 1 的自然对数，即ln(x + 1)。
• logb()：计算以宏FLT_RADIX（一般为2）为底的对数，但只返回整数部分。

下面是一些例子。

exp(3.0) // 20.085500
log(20.0855) // 3.000000
log10(10000) // 3.000000

如果结果值超出了 C 语言可以表示的最大值，函数将返回HUGE_VAL，它是一个在math.h中定义的 double 类型的值。

如果结果值太小，无法用 double 值表示，函数将返回0。以上这两种情况都属于出错。

frexp()

frexp()将参数分解成浮点数和指数部分（2为底数），比如 1234.56 可以写成 0.6028125 * 2¹¹，这个函数就能分解出 0.6028125 和 11。

double frexp(double value, int* exp);

它接受两个参数，第一个参数是用来分解的浮点数，第二个参数是一个整数变量指针。

它返回小数部分，并将指数部分放入变量exp。如果参数为0，则返回的小数部分和指数部分都为0。

下面是一个例子。

double frac;
int expt;

// expt 的值是 11
frac = frexp(1234.56, &expt);

// 输出 1234.56 = 0.6028125 x 2^11
printf("1234.56 = %.7f x 2^%d\n", frac, expt);

ilogb()

ilogb()返回一个浮点数的指数部分，指数的基数是宏FLT_RADIX（一般是2）。

int ilogb(double x);

它的参数为x，返回值是 log_r|x|，其中r为宏FLT_RADIX。

下面是用法示例。

ilogb(257) // 8
ilogb(256) // 8
ilogb(255) // 7

ldexp()

ldexp()将一个数乘以2的乘方。它可以看成是frexp()的逆运算，将小数部分和指数部分合成一个f * 2^n形式的浮点数。

double ldexp(double x, int exp);

它接受两个参数，第一个参数是乘数x，第二个参数是2的指数部分exp，返回“x * 2^exp”。

ldexp(1, 10) // 1024.000000
ldexp(3, 2) // 12.000000
ldexp(0.75, 4) // 12.000000
ldexp(0.5, -1) // 0.250000

modf()

modf()函数提取一个数的整数部分和小数部分。

 double modf(double value, double* iptr);

它接受两个参数，第一个参数value表示待分解的数值，第二个参数是浮点数变量iptr。返回值是value的小数部分，整数部分放入变量double。

下面是一个例子。

// int_part 的值是 3.0
modf(3.14159, &int_part); // 返回 0.14159

scalbn()

scalbn()用来计算“x * rⁿ”，其中r是宏FLT_RADIX。

double scalbn(double x, int n);

它接受两个参数，第一个参数x是乘数部分，第二个参数n是指数部分，返回值是“x * rⁿ”。

下面是一些例子。

scalbn(2, 8) // 512.000000

这个函数有多个版本。

• scalbn()：指数 n 是 int 类型。
• scalbnf()：float 版本的 scalbn()。
• scalbnl()：long double 版本的 scalbn()。
• scalbln()：指数 n 是 long int 类型。
• scalblnf()：float 版本的 scalbln()。
• scalblnl()：long double 版本的 scalbln()。

round()

round()函数以传统方式进行四舍五入，比如1.5舍入到2，-1.5舍入到-2。

double round(double x);

它返回一个浮点数。

下面是一些例子。

round(3.14)  // 3.000000
round(3.5)   // 4.000000
round(-1.5)  // -2.000000
round(-1.14) // -1.000000

它还有一些其他版本。

• lround()：返回值是 long int 类型。
• llround()：返回值是 long long int 类型。

trunc()

trunc()用来截去一个浮点数的小数部分，将剩下的整数部分以浮点数的形式返回。

double trunc(double x);

下面是一些例子。

trunc(3.14)  // 3.000000
trunc(3.8)   // 3.000000
trunc(-1.5)  // -1.000000
trunc(-1.14) // -1.000000

ceil()

ceil()返回不小于其参数的最小整数（double 类型），属于“向上舍入”。

double ceil(double x);

下面是一些例子。

ceil(7.1) // 8.0
ceil(7.9) // 8.0
ceil(-7.1) // -7.0
ceil(-7.9) // -7.0

floor()

floor()返回不大于其参数的最大整数，属于“向下舍入”。

double floor(double x);

下面是一些例子。

floor(7.1) // 7.0
floor(7.9) // 7.0
floor(-7.1) // -8.0
floor(-7.9) // -8.0

下面的函数可以实现“四舍五入”。

double round_nearest(double x) {
  return x < 0.0 ? ceil(x - 0.5) : floor(x + 0.5);
}

fmod()

fmod()返回第一个参数除以第二个参数的余数，就是余值运算符%的浮点数版本，因为%只能用于整数运算。

double fmod(double x, double y);

它在幕后执行的计算是x - trunc(x / y) * y，返回值的符号与x的符号相同。

fmod(5.5, 2.2)  //  1.100000
fmod(-9.2, 5.1) // -4.100000
fmod(9.2, 5.1)  //  4.100000

浮点数比较函数

以下函数用于两个浮点数的比较，返回值的类型是整数。

• isgreater()：返回x > y的结果。
• isgreaterequal()：返回x >= y的结果。
• isless()：返回x < y的结果。
• islessequal()：返回x <= y的结果。
• islessgreater()：返回(x < y) || (x > y)的结果。

下面是一些例子。

isgreater(10.0, 3.0)   // 1
isgreaterequal(10.0, 10.0)   // 1
isless(10.0, 3.0)  // 0
islessequal(10.0, 3.0)   // 0
islessgreater(10.0, 3.0)   // 1
islessgreater(10.0, 30.0)   // 1
islessgreater(10.0, 10.0)   // 0

isunordered()

isunordered()返回两个参数之中，是否存在 NAN。

int isunordered(any_floating_type x, any_floating_type y);

下面是一些例子。

isunordered(1.0, 2.0)    // 0
isunordered(1.0, sqrt(-1))  // 1
isunordered(NAN, 30.0)  // 1
isunordered(NAN, NAN)   // 1

其他函数

下面是 math.h 包含的其它函数。

• pow()：计算参数x的y次方。
• sqrt()：计算一个数的平方根。
• cbrt()：计算立方根。
• fabs()：计算绝对值。
• hypot()：根据直角三角形的两条直角边，计算斜边。
• fmax()：返回两个参数之中的最大值。
• fmin()：返回两个参数之中的最小值。
• remainder()：返回 IEC 60559 标准的余数，类似于fmod()，但是余数范围是从-y/2到y/2，而不是从0到y。
• remquo()：同时返回余数和商，余数的计算方法与remainder()相同。
• copysign()：返回一个大小等于第一个参数、符号等于第二个参数的值。
• nan()：返回 NAN。
• nextafter()：获取下一个（或者上一个，具体方向取决于第二个参数y）当前系统可以表示的浮点值。
• nextoward()：与nextafter()相同，除了第二个参数是 long double 类型。
• fdim()：如果第一个参数减去第二个参数大于0，则返回差值，否则返回0。
• fma()：以快速计算的方式，返回x * y + z的结果。
• nearbyint()：在当前舍入方向上，舍入到最接近的整数。当前舍入方向可以使用fesetround()函数设定。
• rint()：在当前舍入方向上，舍入到最接近的整数，与nearbyint()相同。不同之处是，它会触发浮点数的INEXACT异常。
• lrint()：在当前舍入方向上，舍入到最接近的整数，与rint()相同。不同之处是，返回值是一个整数，而不是浮点数。
• erf()：计算一个值的误差函数。
• erfc()：计算一个值的互补误差函数。
• tgamma()：计算 Gamma 函数。
• lgamma()：计算 Gamma 函数绝对值的自然对数。

下面是一些例子。

pow(3, 4) // 81.000000
sqrt(3.0) // 1.73205
cbrt(1729.03) // 12.002384
fabs(-3490.0) // 3490.000000
hypot(3, 4) // 5.000000
fmax(3.0, 10.0) // 10.000000
fmin(10.0, 3.0) //  3.000000

time.h

time_t

time_t 是一个表示时间的类型别名，可以视为国际标准时 UTC。它可能是浮点数，也可能是整数，Unix 系统一般是整数。

许多系统上，time_t 表示自时间纪元（time epoch）以来的秒数。Unix 的时间纪元是国际标准时 UTC 的1970年1月1日的零分零秒。time_t 如果为负数，则表示时间纪元之前的时间。

time_t 一般是32位或64位整数类型的别名，具体类型取决于当前系统。如果是32位带符号整数，time_t 可以表示的时间到 2038年1月19日03:14:07 UTC 为止；如果是32位无符号整数，则表示到2106年。如果是64位带符号整数，可以表示-2930亿年到+2930亿年的时间范围。

struct tm

struct tm 是一个数据结构，用来保存时间的各个组成部分，比如小时、分钟、秒、日、月、年等。下面是它的结构。

struct tm {
  int tm_sec;    // 秒数 [0, 60]
  int tm_min;    // 分钟 [0, 59]
  int tm_hour;   // 小时 [0, 23]
  int tm_mday;   // 月份的天数 [1, 31]
  int tm_mon;    // 月份 [0, 11]，一月用 0 表示
  int tm_year;   // 距离 1900 的年数
  int tm_wday;   // 星期几 [0, 6]，星期天用 0 表示
  int tm_yday;   // 距离1月1日的天数 [0, 365]
  int tm_isdst;  // 是否采用夏令时，1 表示采用，0 表示未采用
};

time()

time()函数返回从时间纪元到现在经过的秒数。

time_t time(time_t* returned_value);

time()接受一个 time_t 指针作为参数，返回值会写入指针地址。参数可以是空指针 NULL。

time()的返回值是 time_t 类型的当前时间。 如果计算机无法提供当前的秒数，或者返回值太大，无法用time_t类型表示，time()函数就返回-1。

time_t now;

// 写法一    
now = time(NULL);

// 写法二    
time(&now);

上面示例展示了将当前时间存入变量now的两种写法。

如果要知道某个操作耗费的精确时间，需要调用两次time()，再将两次的返回值相减。

time_t begin = time(NULL);

// ... 执行某些操作

time_t end = time(NULL);

printf("%d\n", end - begin);

注意，上面的方法只能精确到秒。

ctime()

ctime()用来将 time_t 类型的值直接输出为人类可读的格式。

char* ctime( time_t const * time_value );

ctime()的参数是一个 time_t 指针，返回一个字符串指针。该字符串的格式类似“Sun Jul 4 04:02:48 1976\n\0”，尾部包含换行符和字符串终止标志。

下面是一个例子。

time_t now; 

now = time(NULL);

// 输出 Sun Feb 28 18:47:25 2021
printf("%s", ctime(&now));

注意，ctime()会在字符串尾部自动添加换行符。

localtime()，gmtime()

localtime()函数用来将 time_t 类型的时间，转换为当前时区的 struct tm 结构。

gmtime()函数用来将 time_t 类型的时间，转换为 UTC 时间的 struct tm 结构。

它们的区别就是返回值，前者是本地时间，后者是 UTC 时间。

struct tm* localtime(const time_t* timer);
struct tm* gmtime(const time_t* timer);

下面是一个例子。

time_t now = time(NULL);

// 输出 Local: Sun Feb 28 20:15:27 2021
printf("Local: %s", asctime(localtime(&now)));

// 输出 UTC  : Mon Mar  1 04:15:27 2021
printf("UTC  : %s", asctime(gmtime(&now)));

asctime()

asctime()函数用来将 struct tm 结构，直接输出为人类可读的格式。该函数会自动在输出的尾部添加换行符。

用法示例参考上一小节。

mktime()

mktime()函数用于把一个 struct tm 结构转换为 time_t 值。

time_t　mktime(struct tm* tm_ptr);

mktime()的参数是一个 struct tm 指针。

mktime()会自动设置 struct tm 结构里面的tm_wday属性和tm_yday属性，开发者自己不必填写这两个属性。所以，这个函数常用来获得指定时间是星期几（tm_wday）。

struct tm 结构的tm_isdst属性也可以设为-1，让mktime()决定是否应该采用夏令时。

下面是一个例子。

struct tm some_time = {
  .tm_year=82,   // 距离 1900 的年数
  .tm_mon=3,     // 月份 [0, 11]
  .tm_mday=12,   // 天数 [1, 31]
  .tm_hour=12,   // 小时 [0, 23]
  .tm_min=00,    // 分钟 [0, 59]
  .tm_sec=04,    // 秒数 [0, 60]
  .tm_isdst=-1,  // 夏令时
};
    
time_t some_time_epoch;
some_time_epoch = mktime(&some_time);
    
// 输出 Mon Apr 12 12:00:04 1982
printf("%s", ctime(&some_time_epoch));

// 输出 Is DST: 0
printf("Is DST: %d\n", some_time.tm_isdst);

difftime()

difftime()用来计算两个时间之间的差异。Unix 系统上，直接相减两个 time_t 值，就可以得到相差的秒数，但是为了程序的可移植性，最好还是使用这个函数。

double difftime( time_t time1, time_t time2 );

difftime()函数接受两个 time_t 类型的时间作为参数，计算 time1 - time2 的差，并把结果转换为秒。

注意它的返回值是 double 类型。

#include <stdio.h>
#include <time.h>
    
int main(void) {
  struct tm time_a = {
    .tm_year=82, 
    .tm_mon=3,   
    .tm_mday=12, 
    .tm_hour=4,  
    .tm_min=00,  
    .tm_sec=04,  
    .tm_isdst=-1,
  };
    
  struct tm time_b = {
    .tm_year=120,
    .tm_mon=10,  
    .tm_mday=15, 
    .tm_hour=16, 
    .tm_min=27,  
    .tm_sec=00,  
    .tm_isdst=-1,
  };
    
  time_t cal_a = mktime(&time_a);
  time_t cal_b = mktime(&time_b);
    
  double diff = difftime(cal_b, cal_a);
    
  double years = diff / 60 / 60 / 24 / 365.2425;
  
  // 输出 1217996816.000000 seconds (38.596783 years) between events
  printf("%f seconds (%f years) between events\n", diff, years);
}

上面示例中，折算年份时，为了尽量准确，使用了一年的准确长度 365.2425 天，这样可以抵消闰年的影响。

strftime()

strftime()函数用来将 struct tm 结构转换为一个指定格式的字符串，并复制到指定地址。

size_t strftime(
  char* str, 
  size_t maxsize, 
  const char* format, 
  const struct tm* timeptr
)

strftime()接受四个参数。

• 第一个参数：目标字符串的指针。
• 第二个参数：目标字符串可以接受的最大长度。
• 第三个参数：格式字符串。
• 第四个参数：struct tm 结构。

如果执行成功（转换并复制），strftime()函数返回复制的字符串长度；如果执行失败，返回-1。

下面是一个例子。

#include <stdio.h>
#include <time.h>

int main(void) {
  char s[128];
  time_t now = time(NULL);

  // %c: 本地时间
  strftime(s, sizeof s, "%c", localtime(&now));
  puts(s);   // Sun Feb 28 22:29:00 2021

  // %A: 完整的星期日期的名称
  // %B: 完整的月份名称
  // %d: 月份的天数
  strftime(s, sizeof s, "%A, %B %d", localtime(&now));
  puts(s);   // Sunday, February 28

  // %I: 小时（12小时制）
  // %M: 分钟
  // %S: 秒数
  // %p: AM 或 PM
  strftime(s, sizeof s, "It's %I:%M:%S %p", localtime(&now));
  puts(s);   // It's 10:29:00 PM

  // %F: ISO 8601 yyyy-mm-dd 格式
  // %T: ISO 8601 hh:mm:ss 格式
  // %z: ISO 8601 时区
  strftime(s, sizeof s, "ISO 8601: %FT%T%z", localtime(&now));
  puts(s);   // ISO 8601: 2021-02-28T22:29:00-0800
}

下面是常用的格式占位符。

• %%：输出 % 字符。
• %a：星期几的简写形式，以当地时间计算。
• %A：星期几的完整形式，以当地时间计算。
• %b：月份的简写形式，以当地时间计算。
• %B：月份的完整形式，以当地时间计算。
• %c：日期和时间，使用“%x %X”。
• %d：月份的天数（01-31）。
• %H：小时，采用24小时制（00-23）。
• %I：小时，采用12小时制（00-12）。
• %J：一年的第几天（001-366）。
• %m：月数（01-12）。
• %M：分钟（00～59）。
• %P：AM 或 PM。
• %R：相当于"%H:%M"。
• %S：秒（00-61）。
• %U：一年的第几星期（00-53），以星期日为第1天。
• %w：一星期的第几天，星期日为第0天。
• %W：一年的第几星期(00-53)，以星期一为第1天。
• %x：完整的年月日的日期，以当地时间计算。
• %X：完整的时分秒的时间，以当地时间计算。
• %y：两位数年份（00-99）。
• %Y：四位数年份（例如 1984）。
• %Z：时区的简写。

timespec_get()

timespec_get()用来将当前时间转成距离时间纪元的纳秒数（十亿分之一秒）。

int timespec_get ( struct timespec* ts, int base ) ;

timespec_get()接受两个参数。

第一个参数是 struct timespec 结构指针，用来保存转换后的时间信息。struct timespec 的结构如下。

struct timespec {
  time_t tv_sec;   // 秒数
  long   tv_nsec;  // 纳秒
};

第二个参数是一个整数，表示时间计算的起点。标准只给出了宏 TIME_UTC 这一个可能的值，表示返回距离时间纪元的秒数。

下面是一个例子。

struct timespec ts;
    
timespec_get(&ts, TIME_UTC);
    
// 1614581530 s, 806325800 ns
printf("%ld s, %ld ns\n", ts.tv_sec, ts.tv_nsec);
    
double float_time = ts.tv_sec + ts.tv_nsec/1000000000.0;

// 1614581530.806326 seconds since epoch
printf("%f seconds since epoch\n", float_time);

clock()

clock()函数返回从程序开始执行到当前的 CPU 时钟周期。一个时钟周期等于 CPU 频率的倒数，比如 CPU 的频率如果是 1G Hz，表示1秒内时钟信号可以变化 10^9 次，那么每个时钟周期就是 10^-9 秒。

clock_t　clock(void);

clock()函数返回一个数字，表示从程序开始到现在的 CPU 时钟周期的次数。这个值的类型是 clock_t，一般是 long int 类型。

为了把这个值转换为秒，应该把它除以常量CLOCKS_PER_SEC（每秒的时钟周期），这个常量也由time.h定义。

printf("CPU time: %f\n", clock() / (double)CLOCKS_PER_SEC);

上面示例可以输出程序从开始到运行到这一行所花费的秒数。

如果计算机无法提供 CPU 时间，或者返回值太大，无法用clock_t类型表示，clock()函数就返回-1。

为了知道某个操作所耗费的精确时间，需要调用两次clock()，然后将两次的返回值相减。

clock_t start = clock();

// ... 执行某些操作

clock_t end = clock();

long double seconds = (float)(end - start) / CLOCKS_PER_SEC;

参考链接

• How to Measure Execution Time of a Program

string.h

string.h主要定义了字符串处理函数和内存操作函数。

字符串处理函数

以下字符串处理函数，详见《字符串》一章。

• strcpy()：复制字符串。
• strncpy()：复制字符串，有长度限制。
• strcat()：连接两个字符串。
• strncat()：连接两个字符串，有长度限制。
• strcmp()：比较两个字符串。
• strncmp()：比较两个字符串，有长度限制。
• strlen()：返回字符串的字节数。

strchr()，strrchr()

strchr()和strrchr()都用于在字符串中查找指定字符。不同之处是，strchr()从字符串开头开始查找，strrchr()从字符串结尾开始查找，函数名里面多出来的那个r表示 reverse（反向）。

char* strchr(char* str, int c);
char* strrchr(char *str, int c);

它们都接受两个参数，第一个参数是字符串指针，第二个参数是所要查找的字符。

一旦找到该字符，它们就会停止查找，并返回指向该字符的指针。如果没有找到，则返回 NULL。

下面是一个例子。

char *str = "Hello, world!";
char *p;

p = strchr(str, ',');  // p 指向逗号的位置
p = strrchr(str, 'o'); // p 指向 world 里面 o 的位置

strspn()，strcspn()

strspn()用来查找属于指定字符集的字符串长度，strcspn()正好相反，用来查找不属于指定字符集的字符串长度。

size_t strspn(char* str, const char* accept);
size_t strcspn(char *str, const char *reject);

这两个函数接受两个参数，第一个参数是源字符串，第二个参数是由指定字符组成的字符串。

strspn()从第一个参数的开头开始查找，一旦发现第一个不属于指定字符集范围的字符，就停止查找，返回到目前为止的字符串长度。如果始终没有不在指定字符集的字符，则返回第一个参数字符串的长度。

strcspn()则是一旦发现第一个属于指定字符集范围的字符，就停止查找，返回到目前为止的字符串长度。如果始终没有发现指定字符集的字符，则返回第一个参数字符串的长度。

char str[] = "hello world";
int n;

n = strspn(str1, "aeiou");
printf("%d\n", n);  // n == 0

n = strcspn(str1, "aeiou");
printf("%d\n", n); // n == 1

上面示例中，第一个n等于0，因为0号位置的字符h就不属于指定字符集aeiou，可以理解为开头有0个字符属于指定字符集。第二个n等于1，因为1号位置的字符e属于指定字符集aeiou，可以理解为开头有1个字符不属于指定字符集。

strpbrk()

strpbrk()在字符串中搜索指定字符集的任一个字符。

char* strpbrk(const char* s1, const char* s2);

它接受两个参数，第一个参数是源字符串，第二个参数是由指定字符组成的字符串。

它返回一个指向第一个匹配字符的指针，如果未找到匹配字符，则返回 NULL。

char* s1 = "Hello, world!";
char* s2 = "dow!";

char* p = strpbrk(s1, s2);

printf("%s\n", p);  // "o, world!"

上面示例中，指定字符集是“dow!”，那么s1里面第一个匹配字符是“Hello”的“o”，所以指针p指向这个字符。输出的话，就会输出从这个字符直到字符串末尾的“o, world!”。

strstr()

strstr()在一个字符串里面，查找另一个字符串。

char *strstr(
  const char* str,
  const char* substr
);

它接受两个参数，第一个参数是源字符串，第二个参数是所要查找的子字符串。

如果匹配成功，就返回一个指针，指向源字符串里面的子字符串。如果匹配失败，就返回 NULL，表示无法找到子字符串。

char* str = "The quick brown fox jumped over the lazy dogs.";
char* p = strstr(str, "lazy");

printf("%s\n", p == NULL ? "null": p); // "lazy dogs."

上面示例中，strstr()用来在源字符串str里面，查找子字符串lazy。从返回的指针到字符串结尾，就是“lazy dogs.”。

strtok()

strtok()用来将一个字符串按照指定的分隔符（delimiter），分解成一系列词元（tokens）。

char* strtok(char* str, const char* delim);

它接受两个参数，第一个参数是待拆分的字符串，第二个参数是指定的分隔符。

它返回一个指针，指向分解出来的第一个词元，并将词元结束之处的分隔符替换成字符串结尾标志\0。如果没有待分解的词元，它返回 NULL。

如果要遍历所有词元，就必须循环调用，参考下面的例子。

strtok()的第一个参数如果是 NULL，则表示从上一次strtok()分解结束的位置，继续往下分解。

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

int main(void) {
  char string[] = "This is a sentence with 7 tokens";
  char* tokenPtr = strtok(string, " ");

  while (tokenPtr != NULL) {
    printf("%s\n", tokenPtr);
    tokenPtr = strtok(NULL, " ");
  }
}

上面示例将源字符串按照空格，分解词元。它的输出结果如下。

This
is
a
sentence
with
7
tokens

注意，strtok()会修改原始字符串，将所有分隔符都替换成字符串结尾符号\0。因此，最好生成一个原始字符串的拷贝，然后再对这个拷贝执行strtok()。

strcoll()

strcoll()用于比较两个启用了本地化设置的字符串，用法基本与strcmp()相同。

int strcoll(const char *s1, const char *s2);

请看下面的示例。

setlocale(LC_ALL, "");

// 报告 é > f
printf("%d\n", strcmp("é", "f"));  

// 报告 é < f
printf("%d\n", strcoll("é", "f"));

上面示例比较带重音符号的é与f，strcmp()会返回é大于f，而strcoll()就会正确识别é排在f前面，所以小于f。注意，在比较之前，需要使用setlocale(LC_ALL, "")，启用本地化设置。

strxfrm()

strxfrm()将一个本地化字符串转成可以使用strcmp()进行比较的形式，相当于strcoll()内部的第一部分操作。

size_t strxfrm(
  char * restrict s1, 
  const char * restrict s2, 
  size_t n
);

它接受三个参数，将第二个参数s2转为可以使用strcmp()比较的形式，并将结果存入第一个参数s1。第三个参数n用来限定写入的字符数，防止超出s1的边界。

它返回转换后的字符串长度，不包括结尾的终止符。

如果第一个参数是 NULL，第三个参数是0，则不进行实际的转换，只返回转换后所需的字符串长度。

下面的示例是用这个函数自己实现一个strcoll()。

int my_strcoll(char* s1, char* s2) {
  int len1 = strxfrm(NULL, s1, 0) + 1;
  int len2 = strxfrm(NULL, s2, 0) + 1;

  char *d1 = malloc(len1);
  char *d2 = malloc(len2);

  strxfrm(d1, s1, len1);
  strxfrm(d2, s2, len2);

  int result = strcmp(d1, d2);

  free(d2);
  free(d1);

  return result;
}

上面示例中，先为两个进行比较的本地化字符串，分配转换后的存储空间，使用strxfrm()将它们转为可比较的形式，再用strcmp()进行比较。

strerror()

strerror()函数返回特定错误的说明字符串。

char *strerror(int errornum);

它的参数是错误的编号，由errno.h定义。返回值是一个指向说明字符串的指针。

// 输出 No such file or directory
printf("%s\n", strerror(2));

上面示例输出2号错误的说明字符“No such file or directory“。

下面的例子是自定义报错信息。

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

int main(void) {
  FILE* fp = fopen("NONEXISTENT_FILE.TXT", "r");

  if (fp == NULL) {
    char* errmsg = strerror(errno);
    printf("Error %d opening file: %s\n", errno, errmsg);
  }
}

上面示例中，通过strerror(errno)拿到当前的默认报错信息，其中errno是errno.h定义的宏，表示当前的报错编号。然后，再输出一条自定义的报错信息。

内存操作函数

以下内存操作函数，详见《内存管理》一章。

• memcpy()：内存复制函数。
• memmove()：内存复制函数（允许重叠）。
• memcmp()：比较两个内存区域。

memchr()

memchr()用于在内存区域中查找指定字符。

void* memchr(const void* s, int c, size_t n);

它接受三个参数，第一个参数是内存区域的指针，第二个参数是所要查找的字符，第三个参数是内存区域的字节长度。

一旦找到，它就会停止查找，并返回指向该位置的指针。如果直到检查完指定的字节数，依然没有发现指定字符，则返回 NULL。

下面是一个例子。

char *str = "Hello, world!";
char *p;

p = memchr(str, '!', 13); // p 指向感叹号的位置

memset()

memset()将一段内存全部格式化为指定值。

void* memset(void* s, int c, size_t n);

它的第一个参数是一个指针，指向内存区域的开始位置，第二个参数是待写入的字符值，第三个参数是一个整数，表示需要格式化的字节数。它返回第一个参数（指针）。

memset(p, ' ', N);

上面示例中，p 是一个指针，指向一个长度为 N 个字节的内存区域。memset()将该块内存区域的每个字节，都改写为空格字符。

下面是另一个例子。

char string1[15] = "BBBBBBBBBBBBBB";

// 输出 bbbbbbbBBBBBBB
printf("%s\n", (char*) memset(string1, 'b', 7));

memset()的一个重要用途，就是将数组成员全部初始化为0。

memset(arr, 0, sizeof(arr));

下面是将 Struct 结构都初始化为0的例子。

struct banana {
  float ripeness;
  char *peel_color;
  int grams;
};

struct banana b;

memset(&b, 0, sizeof b);

b.ripeness == 0.0;     // True
b.peel_color == NULL;  // True
b.grams == 0;          // True

上面示例，将 Struct banana 的实例 b 的所有属性都初始化为0。

其他函数

void* memset(void* a, int c, size_t n);

size_t strlen(const char* s);

signal.h

简介

signal.h提供了信号（即异常情况）的处理工具。所谓“信号”（signal），可以理解成系统与程序之间的短消息，主要用来表示运行时错误，或者发生了异常事件。

头文件signal.h定义了一系列宏，表示不同的信号。

• SIGABRT：异常中止（可能由于调用了 abort() 方法）。
• SIGFPE：算术运算发生了错误（可能是除以 0 或者溢出）。
• SIGILL：无效指令。
• SIGINT：中断。
• SIGSEGV：无效内存访问。
• SIGTERM：终止请求。

上面每个宏的值都是一个正整数常量。

signal()

头文件signal.h还定义了一个signal()函数，用来指定某种信号的处理函数。

signal(SIGINT, handler);

signal()接受两个参数，第一个参数是某种信号的宏，第二个参数是处理这个信号的函数指针handler。

信号处理函数handler接受一个 int 类型的参数，表示信号类型。它的原型如下。

void (*func)(int);

handler函数体内部可以根据这个整数，判断到底接受到了哪种信号，因为多个信号可以共用同一个处理函数。一旦处理函数执行完成，程序会从信号发生点恢复执行。但是，如果遇到 SIGABRT 信号，处理函数执行完成，系统会让程序中止。

当系统向程序发送信号时，程序可以忽略信号，即不指定处理函数。

signal()的返回值是前一个处理函数的指针，常常把它保存在变量之中，当新的处理函数执行完，再恢复以前的处理函数。

void (*orig_handler)(int);
orig_handler = signal(SIGINT, handler);
// SIGINT 信号发生之后
signal(SIGINT, orig_handler);

上面示例中，signal()为信号SIGINT指定了新的处理函数handler，把原来的处理函数保存在变量orig_handler里面。等到handler这个函数用过之后，再恢复原来的处理函数。

信号相关的宏

signal.h还提供了信号相关的宏。

（1）SIG_DFL

SIG_DFL 表示默认的处理函数。

signal(SIGINT, SIG_DFL);

上面示例中，SIGINT 的处理函数是默认处理函数，由当前实现决定。

（2）SIG_IGN

SIG_IGN 表示忽略该信号。

signal(SIGINT, SIG_IGN);

上面示例表示不对 SIGINT 信号进行处理。由于程序运行时按下 Ctrl + c 是发出 SIGINT 信号，所以使用该语句后，程序无法用 Ctrl + c 终止。

（3）SIG_ERR

SIG_ERR 是信号处理函数发生错误时，signal()的返回值。

if (signal(SIGINT, handler) == SIG_ERR) {
  perror("signal(SIGINT, handler) failed");
  // ...
}

上面示例可以判断handler处理 SIGINT 时，是否发生错误。

raise()

raise()函数用来在程序中发出信号。

int raise(int sig);

它接受一个信号值作为参数，表示发出该信号。它的返回值是一个整数，可以用来判断信号发出是否成功，0 表示成功，非 0 表示失败。

void handler(int sig) {
  printf("Handler called for signal %d\n", sig);
}

signal(SIGINT, handler);
raise(SIGINT);

上面示例中，raise()触发 SIGINT 信号，导致 handler 函数执行。

errno.h

errno 变量

errno.h声明了一个 int 类型的 errno 变量，用来存储错误码（正整数）。

如果这个变量有非零值，表示已经执行的程序发生了错误。

int x = -1;

errno = 0;

int y = sqrt(x);

if (errno != 0) {
  fprintf(stderr, "sqrt error; program terminated.\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

上面示例中，计算一个负值的平方根是不允许的，会导致errno不等于0。

如果要检查某个函数是否发生错误，必须在即将调用该函数之前，将errno的值置为0，防止其他函数改变errno的值。

宏

变量errno的值通常是两个宏EDOM或ERANGE。这两个宏都定义在errno.h。它们表示调用数学函数时，可能发生的两种错误。

• 定义域错误（EDOM）：传递给函数的一个参数超出了函数的定义域。例如，负数传入sqrt()作为参数。
• 取值范围错误（ERANGE）：函数的返回值太大，无法用返回类型表示。例如，1000 传入exp()作为参数，因为 e^1000 太大，无法使用 double 类型表示。

使用数学函数时，可以将errno的值与 EDOM 和 ERANGE 比较，用来确定到底发生了哪一类错误。

希望本篇博文能够对大家有所帮助。如果大家对于C/C++有相关书籍需求的也可以在评论区留言

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