c语言 std function

<stdlib.h> 是 C 标准库中最重要的头文件之一，它的名字是 "standard library"（标准库）的缩写，它提供了大量用于内存管理、程序控制、数字转换、排序和搜索等功能的通用函数。

下面我将 <stdlib.h> 中的核心功能分门别类地进行介绍,并提供代码示例。

内存管理函数

这是 <stdlib.h> 最基础也是最常用的功能,用于在程序运行时动态地分配和释放内存。

void *malloc(size_t size)

• 功能: 分配一块指定大小的内存块。
• 参数: size 是需要分配的字节数。
• 返回值: 成功时返回指向分配内存块起始地址的 void* 指针；失败时返回 NULL。
• 特点: 分配的内存是未初始化是随机的（垃圾值）。
• 注意: 使用后必须用 free() 释放,否则会造成内存泄漏。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h> // 包含 malloc 和 free
int main() {
    int *ptr;
    int n = 5;
    // 分配 5 个 int 大小的内存
    ptr = (int*)malloc(n * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1;
    }
    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        ptr[i] = i + 1; // 手动初始化
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");
    // 释放内存
    free(ptr);
    ptr = NULL; // 良好习惯：将指针置为 NULL，防止悬垂指针
    return 0;
}

void *calloc(size_t num, size_t size)

• 功能: 分配一块内存,并将其中的每一位都初始化为零。
• 参数: num 是元素的数量，size 是每个元素的大小（以字节为单位）。
• 返回值: 成功时返回指向分配内存块起始地址的 void* 指针；失败时返回 NULL。
• 特点: 自动清零，通常用于分配数组、结构体等需要初始为零的内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *ptr;
    int n = 5;
    // 分配 5 个 int 大小的内存，并初始化为 0
    ptr = (int*)calloc(n, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
        return 1;
    }
    // 打印，可以看到所有值都是 0
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

void free(void *ptr)

• 功能: 释放之前由 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存。
• 参数: ptr 是指向要释放的内存块的指针。
• 返回值: void,无返回值。
• 注意: 传递给 free 的指针必须是之前动态分配的内存地址，或者为 NULL，对 NULL 指针调用 free 是安全的,但不会产生任何效果。

程序控制函数

void exit(int status)

• 功能: 立即终止正在执行的程序。
• 参数: status 是程序退出状态。0 或 EXIT_SUCCESS 表示成功，非零值或 EXIT_FAILURE 表示失败。
• 特点: 会先执行所有已注册的 atexit 函数，然后刷新所有缓冲的 I/O 流,最后终止程序。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    FILE *fp;
    fp = fopen("non_existent_file.txt", "r");
    if (fp == NULL) {
        perror("打开文件失败"); // 打印错误信息
        exit(EXIT_FAILURE);     // 退出程序，状态码为 1
    }
    // ... 其他代码 ...
    fclose(fp);
    return 0;
}

int atexit(void (*func)(void))

• 功能: 注册一个函数，当程序通过 exit() 正常终止时调用该函数。
• 参数: func 是一个函数指针,指向没有参数也没有返回值的函数。
• 返回值: 成功返回 0,失败返回非零值。
• 注意: main 函数执行 return 语句时，也会调用 atexit 注册的函数。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void cleanup() {
    printf("程序即将退出，执行清理工作...\n");
}
int main() {
    if (atexit(cleanup) != 0) {
        fprintf(stderr, "注册清理函数失败！\n");
        return 1;
    }
    printf("程序正在运行...\n");
    // ... 程序主要逻辑 ...
    return 0; // 程序结束时会调用 cleanup()
}

数值转换函数

这些函数用于将字符串表示的数字转换为对应的数值类型。

int atoi(const char *str)

• 功能: 将字符串转换为 int 类型。
• 参数: str 要转换的字符串。
• 返回值: 转换后的整数值，如果转换失败（字符串不以数字开头），则返回 0。
• 注意: 无法检测转换错误，atoi("123abc") 会返回 123。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    char str1[] = "12345";
    char str2[] = "-9876";
    char str3[] = "hello";
    int num1 = atoi(str1);
    int num2 = atoi(str2);
    int num3 = atoi(str3);
    printf("'%s' -> %d\n", str1, num1); // '12345' -> 12345
    printf("'%s' -> %d\n", str2, num2); // '-9876' -> -9876
    printf("'%s' -> %d\n", str3, num3); // 'hello' -> 0
    return 0;
}

double atof(const char *str)

• 功能: 将字符串转换为 double 类型。
• 参数: str 要转换的字符串。
• 返回值: 转换后的双精度浮点数，如果转换失败，返回 0。

long strtol(const char *restrict str, char **restrict endptr, int base)

• 功能: 将字符串转换为 long 类型，比 atoi 更强大、更安全。
• 参数:
  • str: 要转换的字符串。
  • endptr: 一个指针，用于存储转换停止后的位置，可以设为 NULL。
  • base: 数字的进制。10 表示十进制，16 表示十六进制。0 表示自动检测（如 0x 开头为16进制，0 开头为8进制）。
• 返回值: 转换后的 long 值。
• 特点: 可以检测转换错误，如果转换失败，endptr 会指向字符串的开头。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h> // 使用 strtol 需要包含 errno.h
int main() {
    char str[] = "  -12345abc 987";
    char *endptr;
    long num;
    errno = 0; // 在调用前重置 errno
    num = strtol(str, &endptr, 10);
    // 检查是否发生错误
    if (errno == ERANGE) {
        printf("错误：数值超出 long 范围！\n");
    } else if (endptr == str) {
        printf("错误：没有数字被转换！\n");
    } else {
        printf("转换成功: %ld\n", num);
        printf("转换停止在字符: '%c'\n", *endptr);
    }
    return 0;
}

随机数生成函数

int rand(void)

• 功能: 生成一个伪随机整数。
• 返回值: 一个在 0 到 RAND_MAX 之间的整数（RAND_MAX 是 <stdlib.h> 中定义的宏，通常至少是 32767）。
• 特点: 伪随机：每次运行程序时，如果种子相同,生成的随机数序列也相同。

void srand(unsigned int seed)

• 功能: 为 rand() 函数设置随机数种子。
• 参数: seed 种子值。
• 特点: 通常使用当前时间作为种子,以确保每次运行程序时生成的随机数序列都不同。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h> // 用于 time() 函数
int main() {
    // 使用当前时间作为随机数种子
    srand((unsigned int)time(NULL));
    printf("生成 5 个 1 到 100 之间的随机数:\n");
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        // rand() % (max - min + 1) + min
        int random_num = rand() % 100 + 1;
        printf("%d ", random_num);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

搜索和排序函数

这些函数通常需要与 <stdlib.h> 中定义的比较函数和交换函数一起使用。

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

• 功能: 使用快速排序算法对数组进行排序。
• 参数:
  • base: 指向要排序的数组的第一个元素的指针。
  • nmemb: 数组中元素的数量。
  • size: 每个元素的大小（以字节为单位）。
  • compar: 一个指向比较函数的指针,该函数定义了元素的排序规则。
• 比较函数 compar 的规则:
  • 返回负值：第一个参数应排在第二个参数之前。
  • 返回零：两个参数相等。
  • 返回正值：第一个参数应排在第二个参数之后。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 用于 qsort 的比较函数 (升序)
int compare_ints(const void *a, const void *b) {
    int arg1 = *(const int*)a;
    int arg2 = *(const int*)b;
    if (arg1 < arg2) return -1;
    if (arg1 > arg2) return 1;
    return 0;
}
int main() {
    int values[] = { 88, 56, 100, 2, 25 };
    size_t n = sizeof(values) / sizeof(values[0]);
    qsort(values, n, sizeof(int), compare_ints);
    printf("排序后的数组: ");
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", values[i]);
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

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

• 功能: 使用二分查找算法在已排序的数组中查找元素。
• 参数:
  • key: 指向要查找的元素的指针。
  • base: 指向已排序数组的第一个元素的指针。
  • nmemb: 数组中元素的数量。
  • size: 每个元素的大小。
  • compar: 与 qsort 相同的比较函数。
• 返回值: 如果找到，返回指向匹配元素的指针；否则返回 NULL。
• 注意: 必须对数组进行排序后才能使用 bsearch。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
// 与 qsort 相同的比较函数
int compare_ints(const void *a, const void *b) {
    int arg1 = *(const int*)a;
    int arg2 = *(const int*)b;
    if (arg1 < arg2) return -1;
    if (arg1 > arg2) return 1;
    return 0;
}
int main() {
    int values[] = { 2, 25, 56, 88, 100 };
    int key = 56;
    size_t n = sizeof(values) / sizeof(values[0]);
    // 数组必须是已排序的
    int *item = (int*)bsearch(&key, values, n, sizeof(int), compare_ints);
    if (item != NULL) {
        printf("找到了元素 %d\n", *item);
    } else {
        printf("未找到元素 %d\n", key);
    }
    return 0;
}

其他常用函数

int system(const char *command)

• 功能: 将字符串 command 传递给宿主环境的命令处理器（通常是 shell）执行。
• 参数: command 是要执行的命令字符串。
• 返回值: 返回值依赖于系统,通常是命令执行后的退出状态。
• 注意: 这是一个非常强大的函数，但也可能带来安全风险（如命令注入）,应谨慎使用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    printf("系统将执行 'dir' 命令 (Windows) 或 'ls' 命令 (Linux/macOS)...\n");
    // #ifdef _WIN32
    //     system("dir");
    // #else
    //     system("ls -l");
    // #endif
    // 为了跨平台演示，这里只打印信息
    printf("请根据您的操作系统手动执行相应的命令，\n");
    return 0;
}

<stdlib.h> 是 C 语言编程的基石，提供了大量底层但至关重要的功能，掌握这些函数是成为一名合格 C 程序员的关键一步。

希望这份详细的讲解能帮助你全面理解 C 语言中的 std function。