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。

  1. int abs(int j);
  2. long int labs(long int j);
  3. long long int llabs(long long int j);

下面是用法示例。

  1. // 输出 |-2| = 2
  2. printf("|-2| = %d\n", abs(-2));
  4. // 输出 |4|  = 4
  5. 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。

  1. div_t div(int numer, int denom);
  2. ldiv_t ldiv(long int numer, long int denom);
  3. 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，

  1. int　quot;　 //　商
  2. int　rem;　 //　余数

它们完整的定义如下。

  1. typedef struct {
  2.   int quot, rem;
  3. } div_t;
  5. typedef struct {
  6.   long int quot, rem;
  7. } ldiv_t;
  9. typedef struct {
  10.   long long int quot, rem;
  11. } lldiv_t;

下面是一个例子。

  1. div_t d = div(64, -7);
  3. // 输出 64 / -7 = -9
  4. printf("64 / -7 = %d\n", d.quot);
  6. // 输出 64 % -7 = 1
  7. 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。

  1. int atoi(const char* nptr);
  2. double atof(const char* nptr);
  3. long int atol(const char* nptr);
  4. 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。

  1. atoi("3490")   // 3490
  2. 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。

  1. float strtof(
  2.   const char* restrict nptr,
  3.   char** restrict endptr
  4. );
  6. double strtod(
  7.   const char* restrict nptr,
  8.   char** restrict endptr
  9. );
  11. long double strtold(
  12.   const char* restrict nptr,
  13.   char** restrict endptr
  14. );

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。

  1. char *inp = "   123.4567abdc";
  2. char *badchar;
  4. double val = strtod(inp, &badchar);
  6. printf("%f\n", val); // 123.456700
  7. 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。

  1. if (*endptr == '\0') {
  2.   // 完全转换
  3. } else {
  4.   // 存在无法转换的字符
  5. }

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。

  1. long int strtol(
  2.   const char* restrict nptr,
  3.   char** restrict endptr,
  4.   int base
  5. );
  7. long long int strtoll(
  8.   const char* restrict nptr,
  9.   char** restrict endptr,
  10.   int base
  11. );
  13. unsigned long int strtoul(
  14.   const char* restrict nptr,
  15.   char** restrict endptr,
  16.   int base
  17. );
  19. unsigned long long int strtoull(
  20.   const char* restrict nptr,
  21.   char** restrict endptr, int base
  22. );

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。

  1. char* s = "3490";
  2. unsigned long int x = strtoul(u, NULL, 10);
  4. printf("%lu\n", x); // 3490

下面是转换十六进制整数的例子。

  1. char* end;
  3. long value = strtol("0xff", &end, 16);
  4. printf("%ld\n", value); // 255
  5. printf("%s\n", end); // 无内容
  7. value = strtol("0xffxx", &end, 16);
  8. printf("%ld\n", value); // 255
  9. 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。

  1. char* s = "101010";
  2. unsigned long int x = strtoul(s, NULL, 2);
  4. printf("%lu\n", x); // 42

下面是让函数自行判断整数进制的例子。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  4. int main(void) {
  5.   const char* string = "-1234567abc";
  6.   char* remainderPtr;
  7.   long x = strtol(string, &remainderPtr, 0);
  8.   printf("%s\"%s\"\n%s%ld\n%s\"%s\"\n",
  9.     "The original string is ",
  10.     string,
  11.     "The converted value is ",
  12.     x,
  13.     "The remainder of the original string is ",
  14.     remainderPtr
  15.   );
  16. }

上面代码的输出结果如下。

  1. The original string is "-1234567abc"
  2. The converted value is -1234567
  3. 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。

  1. // 原型
  2. int rand(void);
  4. // 示例
  5. 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。

  1. int x = rand() % （M - N + 1) + N;

比如，1 到 6 之间的随机数，写法如下。

  1. int x = rand() % 6 + 1;

获得浮点数的随机值，可以使用下面的写法。

  1. // 0 到 0.999999 之间的随机数
  2. printf("0 to 0.99999: %f\n", rand() / ((float)RAND_MAX + 1));
  4. // n 到 m 之间的随机数：
  5. // n + m * (rand() / (float)RAND_MAX)
  6. 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。

  1. 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。

  1. #include <time.h>
  2. 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。

  1. 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。

  1. void exit(int status);
  2. void quick_exit(int status);
  3. 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。

  1. exit(EXIT_SUCCESS);
  2. quick_exit(EXIT_FAILURE);
  3. _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。

  1. int atexit(void (*func)(void));
  2. 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。

  1. void sign_off(void);
  2. void too_bad(void);
  4. int main(void) {
  6.   int n;
  7.   atexit(sign_off);　　 /* 注册 sign_off()函数 */
  9.   puts("Enter an integer:");
  10.   if (scanf("%d", &n) != 1) {
  11.     puts("That's no integer!");
  12.     atexit(too_bad);　/* 注册 too_bad()函数 */
  13.     exit(EXIT_FAILURE);
  14.   }
  16.   printf("%d is %s.\n", n, (n % 2 == 0) ? "even" : "odd");
  17.   return 0;
  18. }
  20. void sign_off(void) {
  21.   puts("sign_off");
  22. }
  24. void too_bad(void) {
  25.   puts("too bad");
  26. }

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。

  1. void exit_handler_1(void) {
  2.   printf("1\n");
  3. }
  5. void exit_handler_2(void) {
  6.   printf("2\n");
  7. }
  9. int main(void) {
  10.   at_quick_exit(exit_handler_1);
  11.   at_quick_exit(exit_handler_2);
  12.   quick_exit(0);
  13. }

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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. 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。

  1. void qsort(
  2.   void *base,
  3.   size_t nmemb, 
  4.   size_t size,
  5.   int (*compar)(const void *, const void *)
  6. );

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。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  4. int compar(const void* elem0, const void* elem1) {
  5.   const int* x = elem0;
  6.   const int* y = elem1; 
  8.   return *x - *y;
  9. }
  11. int main(void) {
  12.   int a[9] = {14, 2, 3, 17, 10, 8, 6, 1, 13};
  14.   qsort(a, 9, sizeof(int), compar);
  16.   for (int i = 0; i < 9; i++)
  17.     printf("%d ", a[i]);
  18.   putchar('\n');
  19. }

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。

  1. void *bsearch(
  2.   const void* key,
  3.   const void* base,
  4.   size_t nmemb,
  5.   size_t size,
  6.   int (*compar)(const void *, const void *)
  7. );

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。

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <stdlib.h>
  4. int compar(const void *key, const void *value) {
  5.   const int* k = key;
  6.   const int* v = value;
  8.   return *k - *v;
  9. }
  11. int main(void) {
  12.   int a[9] = {2, 6, 9, 12, 13, 18, 20, 32, 47};
  14.   int* r;
  15.   int key;
  17.   key = 12; // 包括在数组中
  18.   r = bsearch(&key, a, 9, sizeof(int), compar);
  19.   printf("Found %d\n", *r);
  21.   key = 30;  // 不包括在数组中
  22.   r = bsearch(&key, a, 9, sizeof(int), compar);
  23.   if (r == NULL)
  24.     printf("Didn't find 30\n");
  26.   return 0;
  27. }

执行上面的示例，会输出下面的结果。

  1. Found 12
  2. 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。