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C 语言简介

历史

C 语言最初是作为 Unix 系统的开发工具而发明的。

1969年，美国贝尔实验室的肯·汤普森（Ken Thompson）与丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）一起开发了 Unix 操作系统。Unix 是用汇编语言写的，无法移植到其他计算机，他们决定使用高级语言重写。但是，当时的高级语言无法满足他们的要求，汤普森就在 BCPL 语言的基础上发明了 B 语言。

1972年，丹尼斯·里奇和布莱恩·柯林汉（Brian Kernighan）又在 B 语言的基础上重新设计了一种新语言，这种新语言取代了 B 语言，所以称为 C 语言。

1973年，整个 Unix 系统都使用 C 语言重写。此后，这种语言开始快速流传，广泛用于各种操作系统和系统软件的开发。

1988年，美国国家标准协会（ANSI）正式将 C 语言标准化，标志着 C 语言开始稳定和规范化。

几十年后的今天，C 语言依然是最广泛使用、最流行的系统编程语言之一，Unix 和 Linux 系统现在还是使用 C 语言开发。

C 语言的特点

C 语言能够长盛不衰、广泛应用，主要原因是它有一些鲜明的特点。

（1）低级语言

C 语言能够直接操作硬件、管理内存、跟操作系统对话，这使得它是一种非常接近底层的语言，也就是低级语言，非常适合写需要跟硬件交互、有极高性能要求的程序。

（2）可移植性

C 语言的原始设计目的，是将 Unix 系统移植到其他计算机架构。这使得它从一开始就非常注重可移植性，C 程序可以相对简单地移植到各种硬件架构和操作系统。

除了计算机，C 语言现在还是嵌入式系统的首选编程语言，汽车、照相机、家用电器等设备的底层系统都是用 C 语言编程，这也是因为它良好的可移植性。

（3）简单性

C 语言的语法相对简单，语法规则不算太多，也几乎没有语法糖。一般来说，如果两个语法可以完成几乎相同的事情，C 语言就只会提供一种，这样大大减少了语言的复杂性。

而且，C 语言的语法都是基础语法，不提供高级的数据结构，比如 C 语言没有“类”（class），复杂的数据结构都需要自己构造。

（4）灵活性

C 语言对程序员的限制很少。它假设程序员知道自己在干嘛，不会限制你做各种危险的操作，你干什么都可以，后果也由自己负责。

C 语言的哲学是“信任程序员，不要妨碍他们做事”。比如，它让程序员自己管理内存，不提供内存自动清理功能。另外，也不提供类型检查、数组的负索引检查、指针位置的检查等保护措施。

表面上看，这似乎很危险，但是对于高级程序员来说，却有了更大的编程自由。不过，这也使得 C 语言的 debug 不太容易。

（5）总结

上面这些特点，使得 C 语言可以写出性能非常强、完全发挥硬件潜力的程序，而且 C 语言的编译器实现难度相对较低。但是另一方面，C 语言代码容易出错，一般程序员不容易写好。

此外，当代很多流行语言都是以 C 语言为基础，比如 C++、Java、C#、JavaScript 等等。学好 C 语言有助于对这些语言加深理解。

C 语言的版本

历史上，C 语言有过多个版本。

（1）K＆R C

K&R C指的是 C 语言的原始版本。1978年，C 语言的发明者丹尼斯·里奇（Dennis Ritchie）和布莱恩·柯林汉（Brian Kernighan）合写了一本著名的教材《C 编程语言》（The C programming language）。由于 C 语言还没有成文的语法标准，这本书就成了公认标准，以两位作者的姓氏首字母作为版本简称“K&R C”。

（2）ANSI C（又称 C89 或 C90）

C 语言的原始版本非常简单，对很多情况的描述非常模糊，加上 C 语法依然在快速发展，要求将 C 语言标准化的呼声越来越高。

1989年，美国国家标准协会（ANSI）制定了一套 C 语言标准。1990年，国际标准化组织（ISO）通过了这个标准。它被称为“ANSI C”，也可以按照发布年份，称为“C89 或 C90”。

（3）C95

1995年，美国国家标准协会对1989年的那个标准，进行了补充，加入多字节字符和宽字符的支持。这个版本称为 C95。

（4）C99

C 语言标准的第一次大型修订，发生在1999年，增加了许多语言特性，比如双斜杠（//）的注释语法。这个版本称为 C99，是目前最流行的 C 版本。

（5）C11

2011年，标准化组织再一次对 C 语言进行修订，增加了 Unicode 和多线程的支持。这个版本称为 C11。

（6）C17

C11 标准在2017年进行了修补，但发布是在2018年。新版本只是解决了 C11 的一些缺陷，没有引入任何新功能。这个版本称为 C17。

（7）C2x

标准化组织正在讨论 C 语言的下一个版本，据说可能会在2023年通过，到时就会称为 C23。

C 语言的编译

C 语言是一种编译型语言，源码都是文本文件，本身无法执行。必须通过编译器，生成二进制的可执行文件，才能执行。编译器将代码从文本翻译成二进制指令的过程，就称为编译阶段，又称为“编译时”（compile time），跟运行阶段（又称为“运行时”）相区分。

目前，最常见的 C 语言编译器是自由软件基金会推出的 GCC 编译器，它可以免费使用。本书也使用这个编译器。Linux 和 Mac 系统可以直接安装 GCC，Windows 系统可以安装 MinGW。但是，也可以不用这么麻烦，网上有在线编译器，能够直接在网页上模拟运行 C 代码，查看结果，下面就是两个这样的工具。

• CodingGround: https://tutorialspoint.com/compile_c_online.php
• OnlineGDB: https://onlinegdb.com/online_c_compiler

本书的例子都使用 GCC 在命令行进行编译。

Hello World 示例

C 语言的源代码文件，通常以后缀名.c结尾。下面是一个简单的 C 程序hello.c。它就是一个普通的文本文件，任何文本编译器都能用来写。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("Hello World\n");
  return 0;
}

上面这个程序的唯一作用，就是在屏幕上面显示“Hello World”。

这里不讲解这些代码是什么意思，只是作为一个例子，让大家看看 C 代码应该怎么编译和运行。假设你已经安装好了 GCC 编译器，可以打开命令行，执行下面的命令。

$ gcc hello.c

上面命令使用gcc编译器，将源文件hello.c编译成二进制代码。注意，$是命令行提示符，你真正需要输入的是$后面的部分。

运行这个命令以后，默认会在当前目录下生成一个编译产物文件a.out（assembler output 的缩写，Windows 平台为a.exe）。执行该文件，就会在屏幕上输出Hello World。

$ ./a.out
Hello World

GCC 的-o参数（output 的缩写）可以指定编译产物的文件名。

$ gcc -o hello hello.c

上面命令的-o hello指定，编译产物的文件名为hello（取代默认的a.out）。编译后就会生成一个名叫hello的可执行文件，相当于为a.out指定了名称。执行该文件，也会得到同样的结果。

$ ./hello
Hello World

GCC 的-std=参数（standard 的缩写）还可以指定按照哪个 C 语言的标准进行编译。

$ gcc -std=c99 hello.c

上面命令指定按照 C99 标准进行编译。

注意，-std后面需要用=连接参数，而不是像上面的-o一样用空格，并且=前后也不能有多余的空格。

C 语言基本语法

语句

C 语言的代码由一行行语句（statement）组成。语句就是程序执行的一个操作命令。C 语言规定，语句必须使用分号结尾，除非有明确规定可以不写分号。

int x = 1;

上面就是一个变量声明语句，声明整数变量x，并且将值设为1。

多个语句可以写在一行。

int x; x = 1;

上面示例是两个语句写在一行。所以，语句之间的换行符并不是必需的，只是为了方便阅读代码。

一个语句也可以写成多行，这时就要依靠分号判断语句在哪一行结束。

int x;
x
=
1
;

上面示例中，第二个语句x = 1;被拆成了四行。编译器会自动忽略代码里面的换行。

单个分号也是有效语句，称为“空语句”，虽然毫无作用。

;

表达式

C 语言的各种计算，主要通过表达式完成。表达式（expression）是一个计算式，用来获取值。

1 + 2

上面代码就是一个表达式，用来获取1 + 2这个算术计算的结果。

表达式加上分号，也可以成为语句，但是没有实际的作用。

8;
3 + 4;

上面示例是两个表达式，加上分号以后成为语句。

表达式与语句的区别主要是两点：

• 语句可以包含表达式，但是表达式本身不构成语句。
• 表达式都有返回值，语句不一定有。因为语句用来执行某个命令，很多时候不需要返回值，比如变量声明语句（int x = 1）就没有返回值。

语句块

C 语言允许多个语句使用一对大括号{}，组成一个块，也称为复合语句（compounded statement）。在语法上，语句块可以视为多个语句组成的一个复合语句。

{
  int x;
  x = 1;
}

上面示例中，大括号形成了一个语句块。

大括号的结尾不需要添加分号。

空格

C 语言里面的空格，主要用来帮助编译器区分语法单位。如果语法单位不用空格就能区分，空格就不是必须的，只是为了增加代码的可读性。

int x = 1;
// 等同于
int x=1;

上面示例中，赋值号（=）前后有没有空格都可以，因为编译器这里不借助空格，就能区分语法单位。

语法单位之间的多个空格，等同于单个空格。

int    x =     1;

上面示例中，各个语法单位之间的多个空格，跟单个空格的效果是一样的。

空格还用来表示缩进。多层级的代码有没有缩进，其实对于编译器来说并没有差别，没有缩进的代码也是完全可以运行的。强调代码缩进，只是为了增强代码可读性，便于区分代码块。

大多数 C 语言的风格要求是，下一级代码比上一级缩进4个空格。为了书写的紧凑，本书采用缩写两个空格。

// 缩进四个空格
if (x > 0)
    printf("positive\n");

// 缩进两个空格
if (x > 0)
  printf("positive\n");

只包含空格的行被称为空白行，编译器会完全忽略该行。

注释

注释是对代码的说明，编译器会忽略注释，也就是说，注释对实际代码没有影响。

C 语言的注释有两种表示方法。第一种方法是将注释放在/*...*/之间，内部可以分行。

/* 注释 */

/*
  这是一行注释
*/

这种注释可以插在行内。

int open(char* s /* file name */, int mode);

上面示例中，/* file name */用来对函数参数进行说明，跟在它后面的代码依然会有效执行。

这种注释一定不能忘记写结束符号*/，否则很容易导致错误。

printf("a "); /* 注释一
printf("b ");
printf("c "); /* 注释二 */
printf("d ");

上面示例的原意是，第一行和第三行代码的尾部，有两个注释。但是，第一行注释忘记写结束符号，导致注释一延续到第三行结束。

第二种写法是将注释放在双斜杠//后面，从双斜杠到行尾都属于注释。这种注释只能是单行，可以放在行首，也可以放在一行语句的结尾。这是 C99 标准新增的语法。

// 这是一行注释

int x = 1; // 这也是注释

不管是哪一种注释，都不能放在双引号里面。双引号里面的注释符号，会成为字符串的一部分，解释为普通符号，失去注释作用。

printf("// hello /* world */ ");

上面示例中，双引号里面的注释符号，都会被视为普通字符，没有注释作用。

编译时，注释会被替换成一个空格，所以min/* space */Value会变成min Value，而不是minValue。

printf()

基本用法

本书的示例会大量用到printf()函数，这里先介绍一下这个函数。

printf()的作用是将参数文本输出到屏幕。它名字里面的f代表format（格式化），表示可以定制输出文本的格式。

printf("Hello World");

上面命令会在屏幕上输出一行文字“Hello World”。

printf()不会在行尾自动添加换行符，运行结束后，光标就停留在输出结束的地方，不会自动换行。为了让光标移到下一行的开头，可以在输出文本的结尾，添加一个换行符\n。

printf("Hello World\n");

如果文本内部有换行，也是通过插入换行符来实现。

printf("Hello\nWorld\n");

上面示例先输出一个Hello，然后换行，在下一行开头输出World，然后又是一个换行。

上面示例也可以写成两个printf()，效果完全一样。

printf("Hello\n");
printf("World\n");

printf()是在标准库的头文件stdio.h定义的。使用这个函数之前，必须在源码文件头部引入这个头文件。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("Hello World\n");
}

上面示例中，只有在源码头部加上#include <stdio.h>，才能使用printf()这个函数。#include指令的详细解释，请看《预处理器》一章。

占位符

printf()可以在输出文本中指定占位符。所谓“占位符”，就是这个位置可以用其他值代入。

// 输出 There are 3 apples
printf("There are %i apples\n", 3);

上面示例中，There are %i apples\n是输出文本，里面的%i就是占位符，表示这个位置要用其他值来替换。占位符的第一个字符一律为百分号%，第二个字符表示占位符的类型，%i表示这里代入的值必须是一个整数。

printf()的第二个参数就是替换占位符的值，上面的例子是整数3替换%i。执行后的输出结果就是There are 3 apples。

常用的占位符除了%i，还有%s表示代入的是字符串。

printf("%s will come tonight\n", "Jane");

上面示例中，%s表示代入的是一个字符串，所以printf()的第二个参数就必须是字符串，这个例子是Jane。执行后的输出就是Jane will come tonight。

输出文本里面可以使用多个占位符。

printf("%s says it is %i o'clock\n", "Ben", 21);

上面示例中，输出文本%s says it is %i o'clock有两个占位符，第一个是字符串占位符%s，第二个是整数占位符%i，分别对应printf()的第二个参数（Ben）和第三个参数（21）。执行后的输出就是Ben says it is 21 o'clock。

printf()参数与占位符是一一对应关系，如果有n个占位符，printf()的参数就应该有n + 1个。如果参数个数少于对应的占位符，printf()可能会输出内存中的任意值。

printf()的占位符有许多种类，与 C 语言的数据类型相对应。下面按照字母顺序，列出常用的占位符，方便查找，具体含义在后面章节介绍。

• %a：十六进制浮点数，字母输出为小写。
• %A：十六进制浮点数，字母输出为大写。
• %c：字符。
• %d：十进制整数。
• %e：使用科学计数法的浮点数，指数部分的e为小写。
• %E：使用科学计数法的浮点数，指数部分的E为大写。
• %i：整数，基本等同于%d。
• %f：小数（包含float类型和double类型）。
• %g：6个有效数字的浮点数。整数部分一旦超过6位，就会自动转为科学计数法，指数部分的e为小写。
• %G：等同于%g，唯一的区别是指数部分的E为大写。
• %hd：十进制 short int 类型。
• %ho：八进制 short int 类型。
• %hx：十六进制 short int 类型。
• %hu：unsigned short int 类型。
• %ld：十进制 long int 类型。
• %lo：八进制 long int 类型。
• %lx：十六进制 long int 类型。
• %lu：unsigned long int 类型。
• %lld：十进制 long long int 类型。
• %llo：八进制 long long int 类型。
• %llx：十六进制 long long int 类型。
• %llu：unsigned long long int 类型。
• %Le：科学计数法表示的 long double 类型浮点数。
• %Lf：long double 类型浮点数。
• %n：已输出的字符串数量。该占位符本身不输出，只将值存储在指定变量之中。
• %o：八进制整数。
• %p：指针。
• %s：字符串。
• %u：无符号整数（unsigned int）。
• %x：十六进制整数。
• %zd：size_t类型。
• %%：输出一个百分号。

输出格式

printf()可以定制占位符的输出格式。

（1）限定宽度

printf()允许限定占位符的最小宽度。

printf("%5d\n", 123); // 输出为 "  123"

上面示例中，%5d表示这个占位符的宽度至少为5位。如果不满5位，对应的值的前面会添加空格。

输出的值默认是右对齐，即输出内容前面会有空格；如果希望改成左对齐，在输出内容后面添加空格，可以在占位符的%的后面插入一个-号。

printf("%-5d\n", 123); // 输出为 "123  "

上面示例中，输出内容123的后面添加了空格。

对于小数，这个限定符会限制所有数字的最小显示宽度。

// 输出 "  123.450000"
printf("%12f\n", 123.45);

上面示例中，%12f表示输出的浮点数最少要占据12位。由于小数的默认显示精度是小数点后6位，所以123.45输出结果的头部会添加2个空格。

（2）总是显示正负号

默认情况下，printf()不对正数显示+号，只对负数显示-号。如果想让正数也输出+号，可以在占位符的%后面加一个+。

printf("%+d\n", 12); // 输出 +12
printf("%+d\n", -12); // 输出 -12

上面示例中，%+d可以确保输出的数值，总是带有正负号。

（3）限定小数位数

输出小数时，有时希望限定小数的位数。举例来说，希望小数点后面只保留两位，占位符可以写成%.2f。

// 输出 Number is 0.50
printf("Number is %.2f\n", 0.5);

上面示例中，如果希望小数点后面输出3位（0.500），占位符就要写成%.3f。

这种写法可以与限定宽度占位符，结合使用。

// 输出为 "  0.50"
printf("%6.2f\n", 0.5);

上面示例中，%6.2f表示输出字符串最小宽度为6，小数位数为2。所以，输出字符串的头部有两个空格。

最小宽度和小数位数这两个限定值，都可以用*代替，通过printf()的参数传入。

printf("%*.*f\n", 6, 2, 0.5);

// 等同于
printf("%6.2f\n", 0.5);

上面示例中，%*.*f的两个星号通过printf()的两个参数6和2传入。

（4）输出部分字符串

%s占位符用来输出字符串，默认是全部输出。如果只想输出开头的部分，可以用%.[m]s指定输出的长度，其中[m]代表一个数字，表示所要输出的长度。

// 输出 hello
printf("%.5s\n", "hello world");

上面示例中，占位符%.5s表示只输出字符串“hello world”的前5个字符，即“hello”。

标准库，头文件

程序需要用到的功能，不一定需要自己编写，C 语言可能已经自带了。程序员只要去调用这些自带的功能，就省得自己编写代码了。举例来说，printf()这个函数就是 C 语言自带的，只要去调用它，就能实现在屏幕上输出内容。

C 语言自带的所有这些功能，统称为“标准库”（standard library），因为它们是写入标准的，到底包括哪些功能，应该怎么使用的，都是规定好的，这样才能保证代码的规范和可移植。

不同的功能定义在不同的文件里面，这些文件统称为“头文件”（header file）。如果系统自带某一个功能，就一定还会自带描述这个功能的头文件，比如printf()的头文件就是系统自带的stdio.h。头文件的后缀通常是.h。

如果要使用某个功能，就必须先加载对应的头文件，加载使用的是#include命令。这就是为什么使用printf()之前，必须先加载stdio.h的原因。

#include <stdio.h>

注意，加载头文件的#include语句不需要分号结尾，详见《预处理器》一章。

变量

变量（variable）可以理解成一块内存区域的名字。通过变量名，可以引用这块内存区域，获取里面存储的值。由于值可能发生变化，所以称为变量，否则就是常量了。

变量名

变量名在 C 语言里面属于标识符（identifier），命名有严格的规范。

• 只能由字母（包括大写和小写）、数字和下划线（_）组成。
• 不能以数字开头。
• 长度不能超过63个字符。

下面是一些无效变量名的例子。

$zj
j**p
2cat
Hot-tab
tax rate
don't

上面示例中，每一行的变量名都是无效的。

变量名区分大小写，star、Star、STAR都是不同的变量。

并非所有的词都能用作变量名，有些词在 C 语言里面有特殊含义（比如int），另一些词是命令（比如continue），它们都称为关键字，不能用作变量名。另外，C 语言还保留了一些词，供未来使用，这些保留字也不能用作变量名。下面就是 C 语言主要的关键字和保留字。

auto, break, case, char, const, continue, default, do, double, else, enum, extern, float, for, goto, if, inline, int, long, register, restrict, return, short, signed, sizeof, static, struct, switch, typedef, union, unsigned, void, volatile, while

另外，两个下划线开头的变量名，以及一个下划线 + 大写英文字母开头的变量名，都是系统保留的，自己不应该起这样的变量名。

变量的声明

C 语言的变量，必须先声明后使用。如果一个变量没有声明，就直接使用，会报错。

每个变量都有自己的类型（type）。声明变量时，必须把变量的类型告诉编译器。

int height;

上面代码声明了变量height，并且指定类型为int（整数）。

如果几个变量具有相同类型，可以在同一行声明。

int height, width;

// 等同于
int height;
int width;

注意，声明变量的语句必须以分号结尾。

一旦声明，变量的类型就不能在运行时修改。

变量的赋值

C 语言会在变量声明时，就为它分配内存空间，但是不会清除内存里面原来的值。这导致声明变量以后，变量会是一个随机的值。所以，变量一定要赋值以后才能使用。

赋值操作通过赋值运算符（=）完成。

int num;
num = 42;

上面示例中，第一行声明了一个整数变量num，第二行给这个变量赋值。

变量的值应该与类型一致，不应该赋予不是同一个类型的值，比如num的类型是整数，就不应该赋值为小数。虽然 C 语言会自动转换类型，但是应该避免赋值运算符两侧的类型不一致。

变量的声明和赋值，也可以写在一行。

int num = 42;

多个相同类型变量的赋值，可以写在同一行。

int x = 1, y = 2;

注意，赋值表达式有返回值，等于等号右边的值。

int x, y;

x = 1;
y = (x = 2 * x);

上面代码中，变量y的值就是赋值表达式（x = 2 * x）的返回值2。

由于赋值表达式有返回值，所以 C 语言可以写出多重赋值表达式。

int x, y, z, m, n;

x = y = z = m = n = 3;

上面的代码是合法代码，一次为多个变量赋值。赋值运算符是从右到左执行，所以先为n赋值，然后依次为m、z、y和x赋值。

C 语言有左值（left value）和右值（right value）的概念。左值是可以放在赋值运算符左边的值，一般是变量；右值是可以放在赋值运算符右边的值，一般是一个具体的值。这是为了强调有些值不能放在赋值运算符的左边，比如x = 1是合法的表达式，但是1 = x就会报错。

变量的作用域

作用域（scope）指的是变量生效的范围。C 语言的变量作用域主要有两种：文件作用域（file scope）和块作用域（block scope）。

文件作用域（file scope）指的是，在源码文件顶层声明的变量，从声明的位置到文件结束都有效。

int x = 1;

int main(void) {
  printf("%i\n", x);
}

上面示例中，变量x是在文件顶层声明的，从声明位置开始的整个当前文件都是它的作用域，可以在这个范围的任何地方读取这个变量，比如函数main()内部就可以读取这个变量。

块作用域（block scope）指的是由大括号（{}）组成的代码块，它形成一个单独的作用域。凡是在块作用域里面声明的变量，只在当前代码块有效，代码块外部不可见。

int a = 12;

if (a == 12) {
  int b = 99;
  printf("%d %d\n", a, b);  // 12 99
}

printf("%d\n", a);  // 12
printf("%d\n", b);  // 出错

上面例子中，变量b是在if代码块里面声明的，所以对于大括号外面的代码，这个变量是不存在的。

代码块可以嵌套，即代码块内部还有代码块，这时就形成了多层的块作用域。它的规则是：内层代码块可以使用外层声明的变量，但外层不可以使用内层声明的变量。如果内层的变量与外层同名，那么会在当前作用域覆盖外层变量。

{
  int i = 10;

  {
    int i = 20;
    printf("%d\n", i);  // 20
  }

  printf("%d\n", i);  // 10
}

上面示例中，内层和外层都有一个变量i，每个作用域都会优先使用当前作用域声明的i。

最常见的块作用域就是函数，函数内部声明的变量，对于函数外部是不可见的。for循环也是一个块作用域，循环变量只对循环体内部可见，外部是不可见的。

for (int i = 0; i < 10; i++)
  printf("%d\n", i);

printf("%d\n", i); // 出错

上面示例中，for循环省略了大括号，但依然是一个块作用域，在外部读取循环变量i，编译器就会报错。

运算符

C 语言的运算符非常多，一共有 50 多种，可以分成若干类。

算术运算符

算术运算符专门用于算术运算，主要有下面几种。

• +：正值运算符（一元运算符）
• -：负值运算符（一元运算符）
• +：加法运算符（二元运算符）
• -：减法运算符（二元运算符）
• *：乘法运算符
• /：除法运算符
• %：余值运算符

（1）+，-

+和-既可以作为一元运算符，也可以作为二元运算符。所谓“一元运算符”，指的是只需要一个运算数就可以执行。一元运算符-用来改变一个值的正负号。

int x = -12;

上面示例中，-将12这个值变成-12。

一元运算符+对正负值没有影响，是一个完全可以省略的运算符，但是写了也不会报错。

int x = -12;
int y = +x;

上面示例中，变量y的值还是-12，因为+不会改变正负值。

二元运算符+和-用来完成加法和减法。

int x = 4 + 22;
int y = 61 - 23;

（2）*

运算符*用来完成乘法。

int num = 5;
printf("%i\n", num * num); // 输出 25

（3）/

运算符/用来完成除法。注意，两个整数相除，得到还是一个整数。

float x = 6 / 4;
printf("%f\n", x); // 输出 1.000000

上面示例中，尽管变量x的类型是float（浮点数），但是6 / 4得到的结果是1.0，而不是1.5。原因就在于 C 语言里面的整数除法是整除，只会返回整数部分，丢弃小数部分。

如果希望得到浮点数的结果，两个运算数必须至少有一个浮点数，这时 C 语言就会进行浮点数除法。

float x = 6.0 / 4; // 或者写成 6 / 4.0
printf("%f\n", x); // 输出 1.500000

上面示例中，6.0 / 4表示进行浮点数除法，得到的结果就是1.5。

下面是另一个例子。

int score = 5;
score = (score / 20) * 100;

上面的代码，你可能觉得经过运算，score会等于25，但是实际上score等于0。这是因为score / 20是整除，会得到一个整数值0，所以乘以100后得到的也是0。

为了得到预想的结果，可以将除数20改成20.0，让整除变成浮点数除法。

score = (score / 20.0) * 100;

（4）%

运算符%表示求模运算，即返回两个整数相除的余值。这个运算符只能用于整数，不能用于浮点数。

int x = 6 % 4; // 2

负数求模的规则是，结果的正负号由第一个运算数的正负号决定。

11 % -5 // 1
-11 % -5 // -1
-11 % 5 // -1

上面示例中，第一个运算数的正负号（11或-11）决定了结果的正负号。

（5）赋值运算的简写形式

如果变量对自身的值进行算术运算，C 语言提供了简写形式，允许将赋值运算符和算术运算符结合成一个运算符。

• +=
• -=
• *=
• /=
• %=

下面是一些例子。

i += 3;  // 等同于 i = i + 3
i -= 8;  // 等同于 i = i - 8
i *= 9;  // 等同于 i = i * 9
i /= 2;  // 等同于 i = i / 2
i %= 5;  // 等同于 i = i % 5

自增运算符，自减运算符

C 语言提供两个运算符，对变量自身进行+ 1和- 1的操作。

• ++：自增运算符
• --：自减运算符

i++; // 等同于 i = i + 1
i--; // 等同于 i = i - 1

这两个运算符放在变量的前面或后面，结果是不一样的。++var和--var是先执行自增或自减操作，再返回操作后var的值；var++和var--则是先返回操作前var的值，再执行自增或自减操作。

int i = 42;
int j;

j = (i++ + 10);
// i: 43
// j: 52

j = (++i + 10)
// i: 44
// j: 54

上面示例中，自增运算符的位置差异，会导致变量j得到不同的值。这样的写法很容易出现意料之外的结果，为了消除意外，可以改用下面的写法。

/* 写法一 */
j = (i + 10);
i++;

/* 写法二 */
i++;
j = (i + 10);

上面示例中，变量i的自增运算与返回值是分离的两个步骤，这样就不太会出错，也提高了代码的可读性。

关系运算符

C 语言用于比较的表达式，称为“关系表达式”（relational expression），里面使用的运算符就称为“关系运算符”（relational operator），主要有下面6个。

• > 大于运算符
• < 小于运算符
• >= 大于等于运算符
• <= 小于等于运算符
• == 相等运算符
• != 不相等运算符

下面是一些例子。

a == b;
a != b;
a < b;
a > b;
a <= b;
a >= b;

关系表达式通常返回0或1，表示真伪。C 语言中，0表示伪，所有非零值表示真。比如，20 > 12返回1，12 > 20返回0。

关系表达式常用于if或while结构。

if (x == 3) {
  printf("x is 3.\n");
}

注意，相等运算符==与赋值运算符=是两个不一样的运算符，不要混淆。有时候，可能会不小心写出下面的代码，它可以运行，但很容易出现意料之外的结果。

if (x = 3) ...

上面示例中，原意是x == 3，但是不小心写成x = 3。这个式子表示对变量x赋值3，它的返回值为3，所以if判断总是为真。

为了防止出现这种错误，有的程序员喜欢将变量写在等号的右边。

if (3 == x) ...

这样的话，如果把==误写成=，编译器就会报错。

/* 报错 */
if (3 = x) ...

另一个需要避免的错误是，多个关系运算符不宜连用。

i < j < k

上面示例中，连续使用两个小于运算符。这是合法表达式，不会报错，但是通常达不到想要的结果，即不是保证变量j的值在i和k之间。因为关系运算符是从左到右计算，所以实际执行的是下面的表达式。

(i < j) < k

上面式子中，i < j返回0或1，所以最终是0或1与变量k进行比较。如果想要判断变量j的值是否在i和k之间，应该使用下面的写法。

i < j && j < k

逻辑运算符

逻辑运算符提供逻辑判断功能，用于构建更复杂的表达式，主要有下面三个运算符。

• !：否运算符（改变单个表达式的真伪）。
• &&：与运算符（两侧的表达式都为真，则为真，否则为伪）。
• ||：或运算符（两侧至少有一个表达式为真，则为真，否则为伪）。

下面是与运算符的例子。

if (x < 10 && y > 20)
  printf("Doing something!\n");

上面示例中，只有x < 10和y > 20同时为真，x < 10 && y > 20才会为真。

下面是否运算符的例子。

if (!(x < 12))
  printf("x is not less than 12\n");

上面示例中，由于否运算符!具有比<更高的优先级，所以必须使用括号，才能对表达式x < 12进行否运算。当然，合理的写法是if (x >= 12)，这里只是为了举例。

对于逻辑运算符来说，任何非零值都表示真，零值表示伪。比如，5 || 0会返回1，5 && 0会返回0。

逻辑运算符还有一个特点，它总是先对左侧的表达式求值，再对右边的表达式求值，这个顺序是保证的。如果左边的表达式满足逻辑运算符的条件，就不再对右边的表达式求值。这种情况称为“短路”。

if (number != 0 && 12/number == 2)

上面示例中，如果&&左侧的表达式（number != 0）为伪，即number等于0时，右侧的表达式（12/number == 2）是不会执行的。因为这时左侧表达式返回0，整个&&表达式肯定为伪，就直接返回0，不再执行右侧的表达式了。

由于逻辑运算符的执行顺序是先左后右，所以下面的代码是有问题的。

while ((x++ < 10) && (x + y < 20))

上面示例中，执行左侧表达式后，变量x的值就已经变了。等到执行右侧表达式的时候，是用新的值在计算，这通常不是原始意图。

位运算符

C 语言提供一些位运算符，用来操作二进制位（bit）。

（1）取反运算符～

取反运算符～是一个一元运算符，用来将每一个二进制位变成相反值，即0变成1，1变成0。

// 返回 01101100
~ 10010011

上面示例中，~对每个二进制位取反，就得到了一个新的值。

注意，~运算符不会改变变量的值，只是返回一个新的值。

（2）与运算符&

与运算符&将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。当两个二进制位都为1，就返回1，否则返回0。

// 返回 00010001
10010011 & 00111101

上面示例中，两个八位二进制数进行逐位比较，返回一个新的值。

与运算符&可以与赋值运算符=结合，简写成&=。

int val = 3;
val = val & 0377;

// 简写成
val &= 0377;

（3）或运算符|

或运算符|将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。两个二进制位只要有一个为1（包含两个都为1的情况），就返回1，否则返回0。

// 返回 10111111
10010011 | 00111101

或运算符|可以与赋值运算符=结合，简写成|=。

int val = 3;
val = val | 0377;

// 简写为
val |= 0377;

（4）异或运算符^

异或运算符^将两个值的每一个二进制位进行比较，返回一个新的值。两个二进制位有且仅有一个为1，就返回1，否则返回0。

// 返回 10101110
10010011 ^ 00111101

异或运算符^可以与赋值运算符=结合，简写成^=。

int val = 3;
val = val ^ 0377;

// 简写为
val ^= 0377;

（5）左移运算符<<

左移运算符<<将左侧运算数的每一位，向左移动指定的位数，尾部空出来的位置使用0填充。

// 1000101000
10001010 << 2

上面示例中，10001010的每一个二进制位，都向左侧移动了两位。

左移运算符相当于将运算数乘以2的指定次方，比如左移2位相当于乘以4（2的2次方）。

左移运算符<<可以与赋值运算符=结合，简写成<<=。

int val = 1;
val = val << 2;

// 简写为
val <<= 2;

（6）右移运算符>>

右移运算符>>将左侧运算数的每一位，向右移动指定的位数，尾部无法容纳的值将丢弃，头部空出来的位置使用0填充。

// 返回 00100010
10001010 >> 2

上面示例中，10001010的每一个二进制位，都向右移动两位。最低的两位10被丢弃，头部多出来的两位补0，所以最后得到00100010。

注意，右移运算符最好只用于无符号整数，不要用于负数。因为不同系统对于右移后如何处理负数的符号位，有不同的做法，可能会得到不一样的结果。

右移运算符相当于将运算数除以2的指定次方，比如右移2位就相当于除以4（2的2次方）。

右移运算符>>可以与赋值运算符=结合，简写成>>=。

int val = 1;
val = val >> 2;

// 简写为
val >>= 2;

逗号运算符

逗号运算符用于将多个表达式写在一起，从左到右依次运行每个表达式。

x = 10, y = 20;

上面示例中，有两个表达式（x = 10和y = 20），逗号使得它们可以放在同一条语句里面。

逗号运算符返回最后一个表达式的值，作为整个语句的值。

int x;

x = (1, 2, 3);

上面示例中，括号里面的逗号运算符，返回最后一个表达式的值，所以变量x等于3。

运算优先级

优先级指的是，如果一个表达式包含多个运算符，哪个运算符应该优先执行。各种运算符的优先级是不一样的。

3 + 4 * 5;

上面示例中，表达式3 + 4 * 5里面既有加法运算符（+），又有乘法运算符（*）。由于乘法的优先级高于加法，所以会先计算4 * 5，而不是先计算3 + 4。

如果两个运算符优先级相同，则根据运算符是左结合，还是右结合，决定执行顺序。大部分运算符是左结合（从左到右执行），少数运算符是右结合（从右到左执行），比如赋值运算符（=）。

5 * 6 / 2;

上面示例中，*和/的优先级相同，它们都是左结合运算符，所以从左到右执行，先计算5 * 6，再计算30 / 2。

运算符的优先级顺序很复杂。下面是部分运算符的优先级顺序（按照优先级从高到低排列）。

• 圆括号（()）
• 自增运算符（++），自减运算符（--）
• 一元运算符（+和-）
• 乘法（*），除法（/）
• 加法（+），减法（-）
• 关系运算符（<、>等）
• 赋值运算符（=）

由于圆括号的优先级最高，可以使用它改变其他运算符的优先级。

int x = (3 + 4) * 5;

上面示例中，由于添加了圆括号，加法会先于乘法进行运算。

完全记住所有运算符的优先级没有必要，解决方法是多用圆括号，防止出现意料之外的情况，也有利于提高代码的可读性。

流程控制

C 语言的程序是顺序执行，即先执行前面的语句，再执行后面的语句。开发者如果想要控制程序执行的流程，就必须使用流程控制的语法结构，主要是条件执行和循环执行。

if 语句

if语句用于条件判断，满足条件时，就执行指定的语句。

if (expression) statement

上面式子中，表达式expression为真（值不为0）时，就执行statement语句。

if后面的判断条件expression外面必须有圆括号，否则会报错。语句体部分statement可以是一个语句，也可以是放在大括号里面的复合语句。下面是一个例子。

if (x == 10) printf("x is 10");

上面示例中，当变量x为10时，就会输出一行文字。对于只有一个语句的语句体，语句部分通常另起一行。

if (x == 10)
  printf("x is 10\n");

如果有多条语句，就需要把它们放在大括号里面，组成一个复合语句。

if (line_num == MAX_LINES) {
  line_num = 0;
  page_num++;
}

if语句可以带有else分支，指定条件不成立时（表达式expression的值为0），所要执行的代码。

if (expression) statement
else statement

下面是一个例子。

if (i > j)
  max = i;
else
  max = j;

如果else的语句部分多于一行，同样可以把它们放在大括号里面。

else可以与另一个if语句连用，构成多重判断。

if (expression)
  statement
else if (expression)
  statement
...
else if (expression)
  statement
else
  statement

如果有多个if和else，可以记住这样一条规则，else总是跟最接近的if匹配。

if (number > 6)
  if (number < 12)
    printf("The number is more than 6, less than 12.\n");
else
  printf("It is wrong number.\n");

上面示例中，else部分匹配最近的if（即number < 12），所以如果number等于6，就不会执行else的部分。

这样很容易出错，为了提供代码的可读性，建议使用大括号，明确else匹配哪一个if。

if (number > 6) {
  if (number < 12) {
    printf("The number is more than 6, less than 12.\n");
  }
} else {
  printf("It is wrong number.\n");
}

上面示例中，使用了大括号，就可以清晰地看出else匹配外层的if。

三元运算符 ?:

C 语言有一个三元表达式?:，可以用作if...else的简写形式。

<expression1> ? <expression2> : <expression3>

这个操作符的含义是，表达式expression1如果为true（非0值），就执行expression2，否则执行expression3。

下面是一个例子，返回两个值之中的较大值。

(i > j) ? i : j;

上面的代码等同于下面的if语句。

if (i > j)
  return i;
else
  return j;

switch 语句

switch 语句是一种特殊形式的 if…else 结构，用于判断条件有多个结果的情况。它把多重的else if改成更易用、可读性更好的形式。

switch (expression) {
  case value1: statement
  case value2: statement
  default: statement
}

上面代码中，根据表达式expression不同的值，执行相应的case分支。如果找不到对应的值，就执行default分支。

下面是一个例子。

switch (grade) {
  case 0:
    printf("False");
    break;
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，根据变量grade不同的值，会执行不同的case分支。如果等于0，执行case 0的部分；如果等于1，执行case 1的部分；否则，执行default的部分。default表示处理以上所有case都不匹配的情况。

每个case语句体的结尾，都应该有一个break语句，作用是跳出整个switch结构，不再往下执行。如果缺少break，就会导致继续执行下一个case或default分支。

switch (grade) {
  case 0:
    printf("False");
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，case 0的部分没有break语句，导致这个分支执行完以后，不会跳出switch结构，继续执行case 1分支。

利用这个特点，如果多个case分支对应同样的语句体，可以写成下面这样。

switch (grade) {
  case 0:
  case 1:
    printf("True");
    break;
  default:
    printf("Illegal");
}

上面示例中，case 0分支没有任何语句，导致case 0和case 1都会执行同样的语句体。

case后面的语句体，不用放在大括号里面，这也是为什么需要break的原因。

default分支用来处理前面的 case 都不匹配的情况，最好放在所有 case 的后面，这样就不用写break语句。这个分支是可选的，如果没有该分支，遇到所有的 case 都不匹配的情况，就会直接跳出整个 switch 代码块。

while 语句

while语句用于循环结构，满足条件时，不断执行循环体。

while (expression)
  statement

上面代码中，如果表达式expression为非零值（表示真），就会执行statement语句，然后再次判断expression是否为零；如果expression为零（表示伪）就跳出循环，不再执行循环体。

while (i < n)
  i = i + 2;

上面示例中，只要i小于n，i就会不断增加2。

如果循环体有多个语句，就需要使用大括号将这些语句组合在一起。

while (expression) {
  statement;
  statement;
}

下面是一个例子。

i = 0;

while (i < 10) {
  printf("i is now %d!\n", i);
  i++;
}

printf("All done!\n");

上面代码中，循环体会执行10次，每次将i增加1，直到等于10才退出循环。

只要条件为真，while会产生无限循环。下面是一种常见的无限循环的写法。

while (1) {
  // ...
}

上面的示例虽然是无限循环，但是循环体内部可以用break语句跳出循环。

do…while 结构

do...while结构是while的变体，它会先执行一次循环体，然后再判断是否满足条件。如果满足的话，就继续执行循环体，否则跳出循环。

do statement
while (expression);

上面代码中，不管条件expression是否成立，循环体statement至少会执行一次。每次statement执行完毕，就会判断一次expression，决定是否结束循环。

i = 10;

do --i;
while (i > 0);

上面示例中，变量i先减去1，再判断是否大于0。如果大于0，就继续减去1，直到i等于0为止。

如果循环部分有多条语句，就需要放在大括号里面。

i = 10;

do {
  printf("i is %d\n", i);
  i++;
} while (i < 10);

printf("All done!\n");

上面例子中，变量i并不满足小于10的条件，但是循环体还是会执行一次。

for 语句

for语句是最常用的循环结构，通常用于精确控制循环次数。

for (initialization; continuation; action)
  statement;

上面代码中，for语句的条件部分（即圆括号里面的部分）有三个表达式。

• initialization：初始化表达式，用于初始化循环变量，只执行一次。
• continuation：判断表达式，只要为true，就会不断执行循环体。
• action：循环变量处理表达式，每轮循环结束后执行，使得循环变量发生变化。

循环体部分的statement可以是一条语句，也可以是放在大括号里面的复合语句。下面是一个例子。

for (int i = 10; i > 0; i--)
  printf("i is %d\n", i);

上面示例中，循环变量i在for的第一个表达式里面声明，该变量只用于本次循环。离开循环体之后，就会失效。

条件部分的三个表达式，每一个都可以有多个语句，语句与语句之间使用逗号分隔。

int i, j;
for (i = 0, j = 999; i < 10; i++, j--) {
  printf("%d, %d\n", i, j);
}

上面示例中，初始化部分有两个语句，分别对变量i和j进行赋值。

for的三个表达式都不是必需的，甚至可以全部省略，这会形成无限循环。

for (;;) {
  printf("本行会无限循环地打印。\n" );
}

上面示例由于没有判断条件，就会形成无限循环。

break 语句

break语句有两种用法。一种是与switch语句配套使用，用来中断某个分支的执行，这种用法前面已经介绍过了。另一种用法是在循环体内部跳出循环，不再进行后面的循环了。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
  for (int j = 0; j < 3; j++) {
    printf("%d, %d\n", i, j);
    break;
  }
}

上面示例中，break语句使得循环跳到下一个i。

while ((ch = getchar()) != EOF) {
  if (ch == '\n') break;
  putchar(ch);
}

上面示例中，一旦读到换行符（\n），break命令就跳出整个while循环，不再继续读取了。

注意，break命令只能跳出循环体和switch结构，不能跳出if结构。

if (n > 1) {
  if (n > 2) break; // 无效
  printf("hello\n");
}

上面示例中，break语句是无效的，因为它不能跳出外层的if结构。

continue 语句

continue语句用于在循环体内部终止本轮循环，进入下一轮循环。只要遇到continue语句，循环体内部后面的语句就不执行了，回到循环体的头部，开始执行下一轮循环。

for (int i = 0; i < 3; i++) {
  for (int j = 0; j < 3; j++) {
    printf("%d, %d\n", i, j);
    continue;
  }
}

上面示例中，有没有continue语句，效果一样，都表示跳到下一个j。

while ((ch = getchar()) != '\n') {
  if (ch == '\t') continue;
  putchar(ch);
}

上面示例中，只要读到的字符是制表符（\t），就用continue语句跳过该字符，读取下一个字符。

goto 语句

goto 语句用于跳到指定的标签名。这会破坏结构化编程，建议不要轻易使用，这里为了语法的完整，介绍一下它的用法。

char ch;

top: ch = getchar();

if (ch == 'q')
  goto top;

上面示例中，top是一个标签名，可以放在正常语句的前面，相当于为这行语句做了一个标记。程序执行到goto语句，就会跳转到它指定的标签名。

infinite_loop:
  print("Hello, world!\n");
  goto infinite_loop;

上面的代码会产生无限循环。

goto 的一个主要用法是跳出多层循环。

for(...) {
  for (...) {
    while (...) {
      do {
        if (some_error_condition)
          goto bail;    
      } while(...);
    }
  }
}
    
bail:
// ... ...

上面代码有很复杂的嵌套循环，不使用 goto 的话，想要完全跳出所有循环，写起来很麻烦。

goto 的另一个用途是提早结束多重判断。

if (do_something() == ERR)
  goto error;
if (do_something2() == ERR)
  goto error;
if (do_something3() == ERR)
  goto error;
if (do_something4() == ERR)
  goto error;

上面示例有四个判断，只要有一个发现错误，就使用 goto 跳过后面的判断。

注意，goto 只能在同一个函数之中跳转，并不能跳转到其他函数。

数据类型

C 语言的每一种数据，都是有类型（type）的，编译器必须知道数据的类型，才能操作数据。所谓“类型”，就是相似的数据所拥有的共同特征，那么一旦知道某个值的数据类型，就能知道该值的特征和操作方式。

基本数据类型有三种：字符（char）、整数（int）和浮点数（float）。复杂的类型都是基于它们构建的。

字符类型

字符类型指的是单个字符，类型声明使用char关键字。

char c = 'B';

上面示例声明了变量c是字符类型，并将其赋值为字母B。

C 语言规定，字符常量必须放在单引号里面。

在计算机内部，字符类型使用一个字节（8位）存储。C 语言将其当作整数处理，所以字符类型就是宽度为一个字节的整数。每个字符对应一个整数（由 ASCII 码确定），比如B对应整数66。

字符类型在不同计算机的默认范围是不一样的。一些系统默认为-128到127，另一些系统默认为0到255。这两种范围正好都能覆盖0到127的 ASCII 字符范围。

只要在字符类型的范围之内，整数与字符是可以互换的，都可以赋值给字符类型的变量。

char c = 66;
// 等同于
char c = 'B';

上面示例中，变量c是字符类型，赋给它的值是整数66。这跟赋值为字符B的效果是一样的。

两个字符类型的变量可以进行数学运算。

char a = 'B'; // 等同于 char a = 66;
char b = 'C'; // 等同于 char b = 67;

printf("%d\n", a + b); // 输出 133

上面示例中，字符类型变量a和b相加，视同两个整数相加。占位符%d表示输出十进制整数，因此输出结果为133。

单引号本身也是一个字符，如果要表示这个字符常量，必须使用反斜杠转义。

char t = '\'';

上面示例中，变量t为单引号字符，由于字符常量必须放在单引号里面，所以内部的单引号要使用反斜杠转义。

这种转义的写法，主要用来表示 ASCII 码定义的一些无法打印的控制字符，它们也属于字符类型的值。

• \a：警报，这会使得终端发出警报声或出现闪烁，或者两者同时发生。
• \b：退格键，光标回退一个字符，但不删除字符。
• \f：换页符，光标移到下一页。在现代系统上，这已经反映不出来了，行为改成类似于\v。
• \n：换行符。
• \r：回车符，光标移到同一行的开头。
• \t：制表符，光标移到下一个水平制表位，通常是下一个8的倍数。
• \v：垂直分隔符，光标移到下一个垂直制表位，通常是下一行的同一列。
• \0：null 字符，代表没有内容。注意，这个值不等于数字0。

转义写法还能使用八进制和十六进制表示一个字符。

• \nn：字符的八进制写法，nn为八进制值。
• \xnn：字符的十六进制写法，nn为十六进制值。

char x = 'B';
char x = 66;
char x = '\102'; // 八进制
char x = '\x42'; // 十六进制

上面示例的四种写法都是等价的。

整数类型

简介

整数类型用来表示较大的整数，类型声明使用int关键字。

int a;

上面示例声明了一个整数变量a。

不同计算机的int类型的大小是不一样的。比较常见的是使用4个字节（32位）存储一个int类型的值，但是2个字节（16位）或8个字节（64位）也有可能使用。它们可以表示的整数范围如下。

• 16位：-32,768 到 32,767。
• 32位：-2,147,483,648 到 2,147,483,647。
• 64位：-9,223,372,036,854,775,808 到 9,223,372,036,854,775,807。

signed，unsigned

C 语言使用signed关键字，表示一个类型带有正负号，包含负值；使用unsigned关键字，表示该类型不带有正负号，只能表示零和正整数。

对于int类型，默认是带有正负号的，也就是说int等同于signed int。由于这是默认情况，关键字signed一般都省略不写，但是写了也不算错。

signed int a;
// 等同于
int a;

int类型也可以不带正负号，只表示非负整数。这时就必须使用关键字unsigned声明变量。

unsigned int a;

整数变量声明为unsigned的好处是，同样长度的内存能够表示的最大整数值，增大了一倍。比如，16位的signed int最大值为32,767，而unsigned int的最大值增大到了65,535。

unsigned int里面的int可以省略，所以上面的变量声明也可以写成下面这样。

unsigned a;

字符类型char也可以设置signed和unsigned。

signed char c; // 范围为 -128 到 127
unsigned char c; // 范围为 0 到 255

注意，C 语言规定char类型默认是否带有正负号，由当前系统决定。这就是说，char不等同于signed char，它有可能是signed char，也有可能是unsigned char。这一点与int不同，int就是等同于signed int。

整数的子类型

如果int类型使用4个或8个字节表示一个整数，对于小整数，这样做很浪费空间。另一方面，某些场合需要更大的整数，8个字节还不够。为了解决这些问题，C 语言在int类型之外，又提供了三个整数的子类型。这样有利于更精细地限定整数变量的范围，也有利于更好地表达代码的意图。

• short int（简写为short）：占用空间不多于int，一般占用2个字节（整数范围为-32768～32767)。
• long int（简写为long）：占用空间不少于int，至少为4个字节。
• long long int（简写为long long）：占用空间多于long，至少为8个字节。

short int a;
long int b;
long long int c;

上面代码分别声明了三种整数子类型的变量。

默认情况下，short、long、long long都是带符号的（signed），即signed关键字省略了。它们也可以声明为不带符号（unsigned），使得能够表示的最大值扩大一倍。

unsigned short int a;
unsigned long int b;
unsigned long long int c;

C 语言允许省略int，所以变量声明语句也可以写成下面这样。

short a;
unsigned short a;

long b;
unsigned long b;

long long c;
unsigned long long c;

不同的计算机，数据类型的字节长度是不一样的。确实需要32位整数时，应使用long类型而不是int类型，可以确保不少于4个字节；确实需要64位的整数时，应该使用long long类型，可以确保不少于8个字节。另一方面，为了节省空间，只需要16位整数时，应使用short类型；需要8位整数时，应该使用char类型。

整数类型的极限值

有时候需要查看，当前系统不同整数类型的最大值和最小值，C 语言的头文件limits.h提供了相应的常量，比如SCHAR_MIN代表 signed char 类型的最小值-128，SCHAR_MAX代表 signed char 类型的最大值127。

为了代码的可移植性，需要知道某种整数类型的极限值时，应该尽量使用这些常量。

• SCHAR_MIN，SCHAR_MAX：signed char 的最小值和最大值。
• SHRT_MIN，SHRT_MAX：short 的最小值和最大值。
• INT_MIN，INT_MAX：int 的最小值和最大值。
• LONG_MIN，LONG_MAX：long 的最小值和最大值。
• LLONG_MIN，LLONG_MAX：long long 的最小值和最大值。
• UCHAR_MAX：unsigned char 的最大值。
• USHRT_MAX：unsigned short 的最大值。
• UINT_MAX：unsigned int 的最大值。
• ULONG_MAX：unsigned long 的最大值。
• ULLONG_MAX：unsigned long long 的最大值。

整数的进制

C 语言的整数默认都是十进制数，如果要表示八进制数和十六进制数，必须使用专门的表示法。

八进制使用0作为前缀，比如017、0377。

int a = 012; // 八进制，相当于十进制的10

十六进制使用0x或0X作为前缀，比如0xf、0X10。

int a = 0x1A2B; // 十六进制，相当于十进制的6699

有些编译器使用0b前缀，表示二进制数，但不是标准。

int x = 0b101010;

注意，不同的进制只是整数的书写方法，不会对整数的实际存储方式产生影响。所有整数都是二进制形式存储，跟书写方式无关。不同进制可以混合使用，比如10 + 015 + 0x20是一个合法的表达式。

printf()的进制相关占位符如下。

• %d：十进制整数。
• %o：八进制整数。
• %x：十六进制整数。
• %#o：显示前缀0的八进制整数。
• %#x：显示前缀0x的十六进制整数。
• %#X：显示前缀0X的十六进制整数。

int x = 100;
printf("dec = %d\n", x); // 100
printf("octal = %o\n", x); // 144
printf("hex = %x\n", x); // 64
printf("octal = %#o\n", x); // 0144
printf("hex = %#x\n", x); // 0x64
printf("hex = %#X\n", x); // 0X64

浮点数类型

任何有小数点的数值，都会被编译器解释为浮点数。所谓“浮点数”就是使用 m * b^e 的形式，存储一个数值，m是小数部分，b是基数（通常是2），e是指数部分。这种形式是精度和数值范围的一种结合，可以表示非常大或者非常小的数。

浮点数的类型声明使用float关键字，可以用来声明浮点数变量。

float c = 10.5;

上面示例中，变量c的就是浮点数类型。

float类型占用4个字节（32位），其中8位存放指数的值和符号，剩下24位存放小数的值和符号。float类型至少能够提供（十进制的）6位有效数字，指数部分的范围为（十进制的）-37到37，即数值范围为10^-37到10³⁷。

有时候，32位浮点数提供的精度或者数值范围还不够，C 语言又提供了另外两种更大的浮点数类型。

• double：占用8个字节（64位），至少提供13位有效数字。
• long double：通常占用16个字节。

注意，由于存在精度限制，浮点数只是一个近似值，它的计算是不精确的，比如 C 语言里面0.1 + 0.2并不等于0.3，而是有一个很小的误差。

if (0.1 + 0.2 == 0.3) // false

C 语言允许使用科学计数法表示浮点数，使用字母e来分隔小数部分和指数部分。

double x = 123.456e+3; // 123.456 x 10^3
// 等同于
double x = 123.456e3;

上面示例中，e后面如果是加号+，加号可以省略。注意，科学计数法里面e的前后，不能存在空格。

另外，科学计数法的小数部分如果是0.x或x.0的形式，那么0可以省略。

0.3E6
// 等同于
.3E6

3.0E6
// 等同于
3.E6

布尔类型

C 语言原来并没有为布尔值单独设置一个类型，而是使用整数0表示伪，所有非零值表示真。

int x = 1;
if (x) {
  printf("x is true!\n");
}

上面示例中，变量x等于1，C 语言就认为这个值代表真，从而会执行判断体内部的代码。

C99 标准添加了类型_Bool，表示布尔值。但是，这个类型其实只是整数类型的别名，还是使用0表示伪，1表示真，下面是一个示例。

_Bool isNormal;

isNormal = 1;
if (isNormal)
  printf("Everything is OK.\n");

头文件stdbool.h定义了另一个类型别名bool，并且定义了true代表1、false代表0。只要加载这个头文件，就可以使用这几个关键字。

#include <stdbool.h>

bool flag = false;

上面示例中，加载头文件stdbool.h以后，就可以使用bool定义布尔值类型，以及false和true表示真伪。

字面量的类型

字面量（literal）指的是代码里面直接出现的值。

int x = 123;

上面代码中，x是变量，123就是字面量。

编译时，字面量也会写入内存，因此编译器必须为字面量指定数据类型，就像必须为变量指定数据类型一样。

一般情况下，十进制整数字面量（比如123）会被编译器指定为int类型。如果一个数值比较大，超出了int能够表示的范围，编译器会将其指定为long int。如果数值超过了long int，会被指定为unsigned long。如果还不够大，就指定为long long或unsigned long long。

小数（比如3.14）会被指定为double类型。

字面量后缀

有时候，程序员希望为字面量指定一个不同的类型。比如，编译器将一个整数字面量指定为int类型，但是程序员希望将其指定为long类型，这时可以为该字面量加上后缀l或L，编译器就知道要把这个字面量的类型指定为long。

int x = 123L;

上面代码中，字面量123有后缀L，编译器就会将其指定为long类型。这里123L写成123l，效果也是一样的，但是建议优先使用L，因为小写的l容易跟数字1混淆。

八进制和十六进制的值，也可以使用后缀l和L指定为 Long 类型，比如020L和0x20L。

int y = 0377L;
int z = 0x7fffL;

如果希望指定为无符号整数unsigned int，可以使用后缀u或U。

int x = 123U;

L和U可以结合使用，表示unsigned long类型。L和U的大小写和组合顺序无所谓。

int x = 123LU;

对于浮点数，编译器默认指定为 double 类型，如果希望指定为其他类型，需要在小数后面添加后缀f（float）或l（long double）。

科学计数法也可以使用后缀。

1.2345e+10F
1.2345e+10L

总结一下，常用的字面量后缀有下面这些。

• f和F：float类型。
• l和L：对于整数是long int类型，对于小数是long double类型。
• ll和LL：Long Long 类型，比如3LL。
• u和U：表示unsigned int，比如15U、0377U。

u还可以与其他整数后缀结合，放在前面或后面都可以，比如10UL、10ULL和10LLU都是合法的。

下面是一些示例。

int           x = 1234;
long int      x = 1234L;
long long int x = 1234LL

unsigned int           x = 1234U;
unsigned long int      x = 1234UL;
unsigned long long int x = 1234ULL;

float x       = 3.14f;
double x      = 3.14;
long double x = 3.14L;

溢出

每一种数据类型都有数值范围，如果存放的数值超出了这个范围（小于最小值或大于最大值），需要更多的二进制位存储，就会发生溢出。大于最大值，叫做向上溢出（overflow）；小于最小值，叫做向下溢出（underflow）。

一般来说，编译器不会对溢出报错，会正常执行代码，但是会忽略多出来的二进制位，只保留剩下的位，这样往往会得到意想不到的结果。所以，应该避免溢出。

unsigned char x = 255;
x = x + 1;

printf("%d\n", x); // 0

上面示例中，变量x加1，得到的结果不是256，而是0。因为x是unsign char类型，最大值是255（二进制11111111），加1后就发生了溢出，256（二进制100000000）的最高位1被丢弃，剩下的值就是0。

再看下面的例子。

unsigned int ui = UINT_MAX;  // 4,294,967,295
ui++;
printf("ui = %u\n", ui); // 0
ui--;
printf("ui = %u\n", ui); // 4,294,967,295

上面示例中，常量UINT_MAX是 unsigned int 类型的最大值。如果加1，对于该类型就会溢出，从而得到0；而0是该类型的最小值，再减1，又会得到UINT_MAX。

溢出很容易被忽视，编译器又不会报错，所以必须非常小心。

for (unsigned int i = n; i >= 0; --i) // 错误

上面代码表面看似乎没有问题，但是循环变量i的类型是 unsigned int，这个类型的最小值是0，不可能得到小于0的结果。当i等于0，再减去1的时候，并不会返回-1，而是返回 unsigned int 的类型最大值，这个值总是大于等于0，导致无限循环。

为了避免溢出，最好方法就是将运算结果与类型的极限值进行比较。

unsigned int ui;
unsigned int sum;

// 错误
if (sum + ui > UINT_MAX) too_big();
else sum = sum + ui;

// 正确
if (ui > UINT_MAX - sum) too_big();
else sum = sum + ui;

上面示例中，变量sum和ui都是 unsigned int 类型，它们相加的和还是 unsigned int 类型，这就有可能发生溢出。但是，不能通过相加的和是否超出了最大值UINT_MAX，来判断是否发生了溢出，因为sum + ui总是返回溢出后的结果，不可能大于UINT_MAX。正确的比较方法是，判断UINT_MAX - sum与ui之间的大小关系。

下面是另一种错误的写法。

unsigned int i = 5;
unsigned int j = 7;

if (i - j < 0) // 错误
  printf("negative\n");
else
  printf("positive\n");

上面示例的运算结果，会输出positive。原因是变量i和j都是 unsigned int 类型，i - j的结果也是这个类型，最小值为0，不可能得到小于0的结果。正确的写法是写成下面这样。

if (j > i) // ....

sizeof 运算符

sizeof是 C 语言提供的一个运算符，返回某种数据类型或某个值占用的字节数量。它的参数可以是数据类型的关键字，也可以是变量名或某个具体的值。

// 参数为数据类型
int x = sizeof(int);

// 参数为变量
int i;
sizeof(i);

// 参数为数值
sizeof(3.14);

上面的第一个示例，返回得到int类型占用的字节数量（通常是4或8）。第二个示例返回整数变量占用字节数量，结果与前一个示例完全一样。第三个示例返回浮点数3.14占用的字节数量，由于浮点数的字面量一律存储为 double 类型，所以会返回8，因为 double 类型占用的8个字节。

sizeof运算符的返回值，C 语言只规定是无符号整数，并没有规定具体的类型，而是留给系统自己去决定，sizeof到底返回什么类型。不同的系统中，返回值的类型有可能是unsigned int，也有可能是unsigned long，甚至是unsigned long long，对应的printf()占位符分别是%u、%lu和%llu。这样不利于程序的可移植性。

C 语言提供了一个解决方法，创造了一个类型别名size_t，用来统一表示sizeof的返回值类型。该别名定义在stddef.h头文件（引入stdio.h时会自动引入）里面，对应当前系统的sizeof的返回值类型，可能是unsigned int，也可能是unsigned long。

C 语言还提供了一个常量SIZE_MAX，表示size_t可以表示的最大整数。所以，size_t能够表示的整数范围为[0, SIZE_MAX]。

printf()有专门的占位符%zd或%zu，用来处理size_t类型的值。

printf("%zd\n", sizeof(int));

上面代码中，不管sizeof返回值的类型是什么，%zd占位符（或%zu）都可以正确输出。

如果当前系统不支持%zd或%zu，可使用%u（unsigned int）或%lu（unsigned long int）代替。

类型的自动转换

某些情况下，C 语言会自动转换某个值的类型。

赋值运算

赋值运算符会自动将右边的值，转成左边变量的类型。

（1）浮点数赋值给整数变量

浮点数赋予整数变量时，C 语言直接丢弃小数部分，而不是四舍五入。

int x = 3.14;

上面示例中，变量x是整数类型，赋给它的值是一个浮点数。编译器会自动把3.14先转为int类型，丢弃小数部分，再赋值给x，因此x的值是3。

这种自动转换会导致部分数据的丢失（3.14丢失了小数部分），所以最好不要跨类型赋值，尽量保证变量与所要赋予的值是同一个类型。

注意，舍弃小数部分时，不是四舍五入，而是整个舍弃。

int x = 12.99;

上面示例中，x等于12，而不是四舍五入的13。

（2）整数赋值给浮点数变量

整数赋值给浮点数变量时，会自动转为浮点数。

float y = 12 * 2;

上面示例中，变量y的值不是24，而是24.0，因为等号右边的整数自动转为了浮点数。

（3）窄类型赋值给宽类型

字节宽度较小的整数类型，赋值给字节宽度较大的整数变量时，会发生类型提升，即窄类型自动转为宽类型。

比如，char或short类型赋值给int类型，会自动提升为int。

char x = 10;
int i = x + y;

上面示例中，变量x的类型是char，由于赋值给int类型，所以会自动提升为int。

（4）宽类型赋值给窄类型

字节宽度较大的类型，赋值给字节宽度较小的变量时，会发生类型降级，自动转为后者的类型。这时可能会发生截值（truncation），系统会自动截去多余的二进制位，导致难以预料的结果。

int i = 321;
char ch = i; // ch 的值是 65 （321 % 256 的余值）

上面例子中，变量ch是char类型，宽度是8个二进制位。变量i是int类型，将i赋值给ch，后者只能容纳i（二进制形式为101000001，共9位）的后八位，前面多出来的二进制位被丢弃，保留后八位就变成了01000001（十进制的65，相当于字符A）。

浮点数赋值给整数类型的值，也会发生截值，浮点数的小数部分会被截去。

double pi = 3.14159;
int i = pi; // i 的值为 3

上面示例中，i等于3，pi的小数部分被截去了。

混合类型的运算

不同类型的值进行混合计算时，必须先转成同一个类型，才能进行计算。转换规则如下：

（1）整数与浮点数混合运算时，整数转为浮点数类型，与另一个运算数类型相同。

3 + 1.2 // 4.2

上面示例是int类型与float类型的混合计算，int类型的3会先转成float的3.0，再进行计算，得到4.2。

（2）不同的浮点数类型混合运算时，宽度较小的类型转为宽度较大的类型，比如float转为double，double转为long double。

（3）不同的整数类型混合运算时，宽度较小的类型会提升为宽度较大的类型。比如short转为int，int转为long等，有时还会将带符号的类型signed转为无符号unsigned。

下面例子的执行结果，可能会出人意料。

int a = -5;
if (a < sizeof(int)）
  do_something();

上面示例中，变量a是带符号整数，sizeof(int)是size_t类型，这是一个无符号整数。按照规则，signed int 自动转为 unsigned int，所以a会自动转成无符号整数4294967291（转换规则是-5加上无符号整数的最大值，再加1），导致比较失败，do_something()不会执行。

所以，最好避免无符号整数与有符号整数的混合运算。因为这时 C 语言会自动将signed int转为unsigned int，可能不会得到预期的结果。

整数类型的运算

两个相同类型的整数运算时，或者单个整数的运算，一般来说，运算结果也属于同一类型。但是有一个例外，宽度小于int的类型，运算结果会自动提升为int。

unsigned char a = 66;

if ((-a) < 0) printf("negative\n");
else printf("positive\n");

上面示例中，变量a是 unsigned char 类型，这个类型不可能小于0，但是-a不是 unsigned char 类型，会自动转为 int 类型，导致上面的代码输出 negative。

再看下面的例子。

unsigned char a = 1;
unsigned char b = 255;
unsigned char c = 255;

if ((a - 5) < 0) do_something();
if ((b + c) > 300) do_something();

上面示例中，表达式a - 5和b + c都会自动转为 int 类型，所以函数do_something()会执行两次。

函数

函数的参数和返回值，会自动转成函数定义里指定的类型。

int dostuff(int, unsigned char);

char m = 42;
unsigned short n = 43;
long long int c = dostuff(m, n);

上面示例中，参数变量m和n不管原来的类型是什么，都会转成函数dostuff()定义的参数类型。

下面是返回值自动转换类型的例子。

char func(void) {
  int a = 42;
  return a;
}

上面示例中，函数内部的变量a是int类型，但是返回的值是char类型，因为函数定义中返回的是这个类型。

类型的显式转换

原则上，应该避免类型的自动转换，防止出现意料之外的结果。C 语言提供了类型的显式转换，允许手动转换类型。

只要在一个值或变量的前面，使用圆括号指定类型(type)，就可以将这个值或变量转为指定的类型，这叫做“类型指定”（casting）。

(unsigned char) ch

上面示例将变量ch转成无符号的字符类型。

long int y = (long int) 10 + 12;

上面示例中，(long int)将10显式转为long int类型。这里的显示转换其实是不必要的，因为赋值运算符会自动将右边的值，转为左边变量的类型。

可移植类型

C 语言的整数类型（short、int、long）在不同计算机上，占用的字节宽度可能是不一样的，无法提前知道它们到底占用多少个字节。

程序员有时控制准确的字节宽度，这样的话，代码可以有更好的可移植性，头文件stdint.h创造了一些新的类型别名。

（1）精确宽度类型(exact-width integer type)，保证某个整数类型的宽度是确定的。

• int8_t：8位有符号整数。
• int16_t：16位有符号整数。
• int32_t：32位有符号整数。
• int64_t：64位有符号整数。
• uint8_t：8位无符号整数。
• uint16_t：16位无符号整数。
• uint32_t：32位无符号整数。
• uint64_t：64位无符号整数。

上面这些都是类型别名，编译器会指定它们指向的底层类型。比如，某个系统中，如果int类型为32位，int32_t就会指向int；如果long类型为32位，int32_t则会指向long。

下面是一个使用示例。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

int main(void) {
  int32_t x32 = 45933945;
  printf("x32 = %d\n", x32);
  return 0;
}

上面示例中，变量x32声明为int32_t类型，可以保证是32位的宽度。

（2）最小宽度类型（minimum width type），保证某个整数类型的最小长度。

• int_least8_t
• int_least16_t
• int_least32_t
• int_least64_t
• uint_least8_t
• uint_least16_t
• uint_least32_t
• uint_least64_t

上面这些类型，可以保证占据的字节不少于指定宽度。比如，int_least8_t表示可以容纳8位有符号整数的最小宽度的类型。

（3）最快的最小宽度类型（fast minimum width type），可以使整数计算达到最快的类型。

• int_fast8_t
• int_fast16_t
• int_fast32_t
• int_fast64_t
• uint_fast8_t
• uint_fast16_t
• uint_fast32_t
• uint_fast64_t

上面这些类型是保证字节宽度的同时，追求最快的运算速度，比如int_fast8_t表示对于8位有符号整数，运算速度最快的类型。这是因为某些机器对于特定宽度的数据，运算速度最快，举例来说，32位计算机对于32位数据的运算速度，会快于16位数据。

（4）可以保存指针的整数类型。

• intptr_t：可以存储指针（内存地址）的有符号整数类型。
• uintptr_t：可以存储指针的无符号整数类型。

（5）最大宽度整数类型，用于存放最大的整数。

• intmax_t：可以存储任何有效的有符号整数的类型。
• uintmax_t：可以存放任何有效的无符号整数的类型。

上面的这两个类型的宽度比long long和unsigned long更大。

指针

指针是 C 语言最重要的概念之一，也是最难理解的概念之一。

简介

指针是什么？首先，它是一个值，这个值代表一个内存地址，因此指针相当于指向某个内存地址的路标。

字符*表示指针，通常跟在类型关键字的后面，表示指针指向的是什么类型的值。比如，char*表示一个指向字符的指针，float*表示一个指向float类型的值的指针。

int* intPtr;

上面示例声明了一个变量intPtr，它是一个指针，指向的内存地址存放的是一个整数。

星号*可以放在变量名与类型关键字之间的任何地方，下面的写法都是有效的。

int   *intPtr;
int * intPtr;
int*  intPtr;

本书使用星号紧跟在类型关键字后面的写法（即int* intPtr;），因为这样可以体现，指针变量就是一个普通变量，只不过它的值是内存地址而已。

这种写法有一个地方需要注意，如果同一行声明两个指针变量，那么需要写成下面这样。

// 正确
int * foo, * bar;

// 错误
int* foo, bar;

上面示例中，第二行的执行结果是，foo是整数指针变量，而bar是整数变量，即*只对第一个变量生效。

一个指针指向的可能还是指针，这时就要用两个星号**表示。

int** foo;

上面示例表示变量foo是一个指针，指向的还是一个指针，第二个指针指向的则是一个整数。

* 运算符

*这个符号除了表示指针以外，还可以作为运算符，用来取出指针变量所指向的内存地址里面的值。

void increment(int* p) {
  *p = *p + 1;
}

上面示例中，函数increment()的参数是一个整数指针p。函数体里面，*p就表示指针p所指向的那个值。对*p赋值，就表示改变指针所指向的那个地址里面的值。

上面函数的作用是将参数值加1。该函数没有返回值，因为传入的是地址，函数体内部对该地址包含的值的操作，会影响到函数外部，所以不需要返回值。事实上，函数内部通过指针，将值传到外部，是 C 语言的常用方法。

变量地址而不是变量值传入函数，还有一个好处。对于需要大量存储空间的大型变量，复制变量值传入函数，非常浪费时间和空间，不如传入指针来得高效。

& 运算符

&运算符用来取出一个变量所在的内存地址。

int x = 1;
printf("x's address is %p\n", &x);

上面示例中，x是一个整数变量，&x就是x的值所在的内存地址。printf()的%p是内存地址的占位符，可以打印出内存地址。

上一小节中，参数变量加1的函数，可以像下面这样使用。

void increment(int* p) {
  *p = *p + 1;
}

int x = 1;
increment(&x);
printf("%d\n", x); // 2

上面示例中，调用increment()函数以后，变量x的值就增加了1，原因就在于传入函数的是变量x的地址&x。

&运算符与*运算符互为逆运算，下面的表达式总是成立。

int i = 5;

if (i == *(&i)) // 正确

指针变量的初始化

声明指针变量之后，编译器会为指针变量本身分配一个内存空间，但是这个内存空间里面的值是随机的，也就是说，指针变量指向的值是随机的。这时一定不能去读写指针变量指向的地址，因为那个地址是随机地址，很可能会导致严重后果。

int* p;
*p = 1; // 错误

上面的代码是错的，因为p指向的那个地址是随机的，向这个随机地址里面写入1，会导致意想不到的结果。

正确做法是指针变量声明后，必须先让它指向一个分配好的地址，然后再进行读写，这叫做指针变量的初始化。

int* p;
int i;

p = &i;
*p = 13;

上面示例中，p是指针变量，声明这个变量后，p会指向一个随机的内存地址。这时要将它指向一个已经分配好的内存地址，上例就是再声明一个整数变量i，编译器会为i分配内存地址，然后让p指向i的内存地址（p = &i;）。完成初始化之后，就可以对p指向的内存地址进行赋值了（*p = 13;）。

为了防止读写未初始化的指针变量，可以养成习惯，将未初始化的指针变量设为NULL。

int* p = NULL;

NULL在 C 语言中是一个常量，表示地址为0的内存空间，这个地址是无法使用的，读写该地址会报错。

指针的运算

指针本质上就是一个无符号整数，代表了内存地址。它可以进行运算，但是规则并不是整数运算的规则。

（1）指针与整数值的加减运算

指针与整数值的运算，表示指针的移动。

short* j;
j = (short*)0x1234;
j = j + 1; // 0x1236

上面示例中，j是一个指针，指向内存地址0x1234。由于0x1234本身是整数类型（int），跟j的类型（short*）并不兼容，所以强制使用类型投射，将0x1234转成short*。你可能以为j + 1等于0x1235，但正确答案是0x1236。原因是j + 1表示指针向内存地址的高位移动一个单位，而一个单位的short类型占据两个字节的宽度，所以相当于向高位移动两个字节。同样的，j - 1得到的结果是0x1232。

指针移动的单位，与指针指向的数据类型有关。数据类型占据多少个字节，每单位就移动多少个字节。

（2）指针与指针的加法运算

指针只能与整数值进行加减运算，两个指针进行加法是非法的。

unsigned short* j;
unsigned short* k;
x = j + k; // 非法

上面示例是两个指针相加，这是非法的。

（3）指针与指针的减法

相同类型的指针允许进行减法运算，返回它们之间的距离，即相隔多少个数据单位。

高位地址减去低位地址，返回的是正值；低位地址减去高位地址，返回的是负值。

这时，减法返回的值属于ptrdiff_t类型，这是一个带符号的整数类型别名，具体类型根据系统不同而不同。这个类型的原型定义在头文件stddef.h里面。

short* j1;
short* j2;

j1 = (short*)0x1234;
j2 = (short*)0x1236;

ptrdiff_t dist = j2 - j1;
printf("%td\n", dist); // 1

上面示例中，j1和j2是两个指向 short 类型的指针，变量dist是它们之间的距离，类型为ptrdiff_t，值为1，因为相差2个字节正好存放一个 short 类型的值。

（4）指针与指针的比较运算

指针之间的比较运算，比较的是各自的内存地址哪一个更大，返回值是整数1（true）或0（false）。

函数

简介

函数是一段可以重复执行的代码。它可以接受不同的参数，完成对应的操作。下面的例子就是一个函数。

int plus_one(int n) {
  return n + 1;
}

上面的代码声明了一个函数plus_one()。

函数声明的语法有以下几点，需要注意。

（1）返回值类型。函数声明时，首先需要给出返回值的类型，上例是int，表示函数plus_one()返回一个整数。

（2）参数。函数名后面的圆括号里面，需要声明参数的类型和参数名，plus_one(int n)表示这个函数有一个整数参数n。

（3）函数体。函数体要写在大括号里面，后面（即大括号外面）不需要加分号。大括号的起始位置，可以跟函数名在同一行，也可以另起一行，本书采用同一行的写法。

（4）return语句。return语句给出函数的返回值，程序运行到这一行，就会跳出函数体，结束函数的调用。如果函数没有返回值，可以省略return语句，或者写成return;。

调用函数时，只要在函数名后面加上圆括号就可以了，实际的参数放在圆括号里面，就像下面这样。

int a = plus_one(13);
// a 等于 14

函数调用时，参数个数必须与定义里面的参数个数一致，参数过多或过少都会报错。

int plus_one(int n) {
  return n + 1;
}

plus_one(2, 2); // 报错
plus_one();  // 报错

上面示例中，函数plus_one()只能接受一个参数，传入两个参数或不传参数，都会报错。

函数必须声明后使用，否则会报错。也就是说，一定要在使用plus_one()之前，声明这个函数。如果像下面这样写，编译时会报错。

int a = plus_one(13);

int plus_one(int n) {
  return n + 1;
}

上面示例中，在调用plus_one()之后，才声明这个函数，编译就会报错。

C 语言标准规定，函数只能声明在源码文件的顶层，不能声明在其他函数内部。

不返回值的函数，使用void关键字表示返回值的类型。没有参数的函数，声明时要用void关键字表示参数类型。

void myFunc(void) {
  // ...
}

上面的myFunc()函数，既没有返回值，调用时也不需要参数。

函数可以调用自身，这就叫做递归（recursion）。下面是斐波那契数列的例子。

unsigned long Fibonacci(unsigned n) {
  if (n > 2)
    return Fibonacci(n - 1) + Fibonacci(n - 2);
  else
    return 1;
}

上面示例中，函数Fibonacci()调用了自身，大大简化了算法。

main()

C 语言规定，main()是程序的入口函数，即所有的程序一定要包含一个main()函数。程序总是从这个函数开始执行，如果没有该函数，程序就无法启动。其他函数都是通过它引入程序的。

main()的写法与其他函数一样，要给出返回值的类型和参数的类型，就像下面这样。

int main(void) {
  printf("Hello World\n");
  return 0;
}

上面示例中，最后的return 0;表示函数结束运行，返回0。

C 语言约定，返回值0表示函数运行成功，如果返回其他非零整数，就表示运行失败，代码出了问题。系统根据main()的返回值，作为整个程序的返回值，确定程序是否运行成功。

正常情况下，如果main()里面省略return 0这一行，编译器会自动加上，即main()的默认返回值为0。所以，写成下面这样，效果完全一样。

int main(void) {
  printf("Hello World\n");
}

由于 C 语言只会对main()函数默认添加返回值，对其他函数不会这样做，所以建议总是保留return语句，以便形成统一的代码风格。

参数的传值引用

如果函数的参数是一个变量，那么调用时，传入的是这个变量的值的拷贝，而不是变量本身。

void increment(int a) {
  a++;
}

int i = 10;
increment(i);

printf("%d\n", i); // 10

上面示例中，调用increment(i)以后，变量i本身不会发生变化，还是等于10。因为传入函数的是i的拷贝，而不是i本身，拷贝的变化，影响不到原始变量。这就叫做“传值引用”。

所以，如果参数变量发生变化，最好把它作为返回值传出来。

int increment(int a) {
  a++;
  return a;
}

int i = 10;
i = increment(i);

printf("%d\n", i); // 11

再看下面的例子，Swap()函数用来交换两个变量的值，由于传值引用，下面的写法不会生效。

void Swap(int x, int y) {
  int temp;
  temp = x;
  x = y;
  y = temp;
}

int a = 1;
int b = 2;
Swap(a, b); // 无效

上面的写法不会产生交换变量值的效果，因为传入的变量是原始变量a和b的拷贝，不管函数内部怎么操作，都影响不了原始变量。

如果想要传入变量本身，只有一个办法，就是传入变量的地址。

void Swap(int* x, int* y) {
  int temp;
  temp = *x;
  *x = *y;
  *y = temp;
}

int a = 1;
int b = 2;
Swap(&a, &b);

上面示例中，通过传入变量x和y的地址，函数内部就可以直接操作该地址，从而实现交换两个变量的值。

虽然跟传参无关，这里特别提一下，函数不要返回内部变量的指针。

int* f(void) {
  int i;
  // ...
  return &i;
}

上面示例中，函数返回内部变量i的指针，这种写法是错的。因为当函数结束运行时，内部变量就消失了，这时指向内部变量i的内存地址就是无效的，再去使用这个地址是非常危险的。

函数指针

函数本身就是一段内存里面的代码，C 语言允许通过指针获取函数。

void print(int a) {
  printf("%d\n", a);
}

void (*print_ptr)(int) = &print;

上面示例中，变量print_ptr是一个函数指针，它指向函数print()的地址。函数print()的地址可以用&print获得。注意，(*print_ptr)一定要写在圆括号里面，否则函数参数(int)的优先级高于*，整个式子就会变成void* print_ptr(int)。

有了函数指针，通过它也可以调用函数。

(*print_ptr)(10);
// 等同于
print(10);

比较特殊的是，C 语言还规定，函数名本身就是指向函数代码的指针，通过函数名就能获取函数地址。也就是说，print和&print是一回事。

if (print == &print) // true

因此，上面代码的print_ptr等同于print。

void (*print_ptr)(int) = &print;
// 或
void (*print_ptr)(int) = print;

if (print_ptr == print) // true

所以，对于任意函数，都有五种调用函数的写法。

// 写法一
print(10)

// 写法二
(*print)(10)

// 写法三
(&print)(10)

// 写法四
(*print_ptr)(10)

// 写法五
print_ptr(10)

为了简洁易读，一般情况下，函数名前面都不加*和&。

这种特性的一个应用是，如果一个函数的参数或返回值，也是一个函数，那么函数原型可以写成下面这样。

int compute(int (*myfunc)(int), int, int);

上面示例可以清晰地表明，函数compute()的第一个参数也是一个函数。

函数原型

前面说过，函数必须先声明，后使用。由于程序总是先运行main()函数，导致所有其他函数都必须在main()函数之前声明。

void func1(void) {
}

void func2(void) {
}

int main(void) {
  func1();
  func2();
  return 0;
}

上面代码中，main()函数必须在最后声明，否则编译时会产生警告，找不到func1()或func2()的声明。

但是，main()是整个程序的入口，也是主要逻辑，放在最前面比较好。另一方面，对于函数较多的程序，保证每个函数的顺序正确，会变得很麻烦。

C 语言提供的解决方法是，只要在程序开头处给出函数原型，函数就可以先使用、后声明。所谓函数原型，就是提前告诉编译器，每个函数的返回类型和参数类型。其他信息都不需要，也不用包括函数体，具体的函数实现可以后面再补上。

int twice(int);

int main(int num) {
  return twice(num);
}

int twice(int num) {
  return 2 * num;
}

上面示例中，函数twice()的实现是放在main()后面，但是代码头部先给出了函数原型，所以可以正确编译。只要提前给出函数原型，函数具体的实现放在哪里，就不重要了。

函数原型包括参数名也可以，虽然这样对于编译器是多余的，但是阅读代码的时候，可能有助于理解函数的意图。

int twice(int);

// 等同于
int twice(int num);

上面示例中，twice函数的参数名num，无论是否出现在原型里面，都是可以的。

注意，函数原型必须以分号结尾。

一般来说，每个源码文件的头部，都会给出当前脚本使用的所有函数的原型。

exit()

exit()函数用来终止整个程序的运行。一旦执行到该函数，程序就会立即结束。该函数的原型定义在头文件stdlib.h里面。

exit()可以向程序外部返回一个值，它的参数就是程序的返回值。一般来说，使用两个常量作为它的参数：EXIT_SUCCESS（相当于 0）表示程序运行成功，EXIT_FAILURE（相当于 1）表示程序异常中止。这两个常数也是定义在stdlib.h里面。

// 程序运行成功
// 等同于 exit(0);
exit(EXIT_SUCCESS);

// 程序异常中止
// 等同于 exit(1);
exit(EXIT_FAILURE);

在main()函数里面，exit()等价于使用return语句。其他函数使用exit()，就是终止整个程序的运行，没有其他作用。

C 语言还提供了一个atexit()函数，用来登记exit()执行时额外执行的函数，用来做一些退出程序时的收尾工作。该函数的原型也是定义在头文件stdlib.h。

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

atexit()的参数是一个函数指针。注意，它的参数函数（下例的print）不能接受参数，也不能有返回值。

void print(void) {
  printf("something wrong!\n");
}

atexit(print);
exit(EXIT_FAILURE);

上面示例中，exit()执行时会先自动调用atexit()注册的print()函数，然后再终止程序。

函数说明符

C 语言提供了一些函数说明符，让函数用法更加明确。

extern 说明符

对于多文件的项目，源码文件会用到其他文件声明的函数。这时，当前文件里面，需要给出外部函数的原型，并用extern说明该函数的定义来自其他文件。

extern int foo(int arg1, char arg2);

int main(void) {
  int a = foo(2, 3);
  // ...
  return 0;
}

上面示例中，函数foo()定义在其他文件，extern告诉编译器当前文件不包含该函数的定义。

不过，由于函数原型默认就是extern，所以这里不加extern，效果是一样的。

static 说明符

默认情况下，每次调用函数时，函数的内部变量都会重新初始化，不会保留上一次运行的值。static说明符可以改变这种行为。

static用于函数内部声明变量时，表示该变量只需要初始化一次，不需要在每次调用时都进行初始化。也就是说，它的值在两次调用之间保持不变。

#include <stdio.h>

void counter(void) {
  static int count = 1;  // 只初始化一次
  printf("%d\n", count);
  count++;
}

int main(void) {
  counter();  // 1
  counter();  // 2
  counter();  // 3
  counter();  // 4
}

上面示例中，函数counter()的内部变量count，使用static说明符修饰，表明这个变量只初始化一次，以后每次调用时都会使用上一次的值，造成递增的效果。

注意，static修饰的变量初始化时，只能赋值为常量，不能赋值为变量。

int i = 3;
static int j = i; // 错误

上面示例中，j属于静态变量，初始化时不能赋值为另一个变量i。

另外，在块作用域中，static声明的变量有默认值0。

static int foo;
// 等同于
static int foo = 0;

static可以用来修饰函数本身。

static int Twice(int num) {
  int result = num * 2;
  return(result);
}

上面示例中，static关键字表示该函数只能在当前文件里使用，如果没有这个关键字，其他文件也可以使用这个函数（通过声明函数原型）。

static也可以用在参数里面，修饰参数数组。

int sum_array(int a[static 3], int n) {
  // ...
}

上面示例中，static对程序行为不会有任何影响，只是用来告诉编译器，该数组长度至少为3，某些情况下可以加快程序运行速度。另外，需要注意的是，对于多维数组的参数，static仅可用于第一维的说明。

const 说明符

函数参数里面的const说明符，表示函数内部不得修改该参数变量。

void f(int* p) {
  // ...
}

上面示例中，函数f()的参数是一个指针p，函数内部可能会改掉它所指向的值*p，从而影响到函数外部。

为了避免这种情况，可以在声明函数时，在指针参数前面加上const说明符，告诉编译器，函数内部不能修改该参数所指向的值。

void f(const int* p) {
  *p = 0; // 该行报错
}

上面示例中，声明函数时，const指定不能修改指针p指向的值，所以*p = 0就会报错。

但是上面这种写法，只限制修改p所指向的值，而p本身的地址是可以修改的。

void f(const int* p) {
  int x = 13;
  p = &x; // 允许修改
}

上面示例中，p本身是可以修改，const只限定*p不能修改。

如果想限制修改p，可以把const放在p前面。

void f(int* const p) {
  int x = 13;
  p = &x; // 该行报错
}

如果想同时限制修改p和*p，需要使用两个const。

void f(const int* const p) {
  // ...
}

可变参数

有些函数的参数数量是不确定的，声明函数的时候，可以使用省略号...表示可变数量的参数。

int printf(const char* format, ...);

上面示例是printf()函数的原型，除了第一个参数，其他参数的数量是可变的，与格式字符串里面的占位符数量有关。这时，就可以用...表示可变数量的参数。

注意，...符号必须放在参数序列的结尾，否则会报错。

头文件stdarg.h定义了一些宏，可以操作可变参数。

（1）va_list：一个数据类型，用来定义一个可变参数对象。它必须在操作可变参数时，首先使用。

（2）va_start：一个函数，用来初始化可变参数对象。它接受两个参数，第一个参数是可变参数对象，第二个参数是原始函数里面，可变参数之前的那个参数，用来为可变参数定位。

（3）va_arg：一个函数，用来取出当前那个可变参数，每次调用后，内部指针就会指向下一个可变参数。它接受两个参数，第一个是可变参数对象，第二个是当前可变参数的类型。

（4）va_end：一个函数，用来清理可变参数对象。

下面是一个例子。

double average(int i, ...) {
  double total = 0;
  va_list ap;
  va_start(ap, i);
  for (int j = 1; j <= i; ++j) {
    total += va_arg(ap, double);
  }
  va_end(ap);
  return total / i;
}

上面示例中，va_list ap定义ap为可变参数对象，va_start(ap, i)将参数i后面的参数统一放入ap，va_arg(ap, double)用来从ap依次取出一个参数，并且指定该参数为 double 类型，va_end(ap)用来清理可变参数对象。

数组

简介

数组是一组相同类型的值，按照顺序储存在一起。数组通过变量名后加方括号表示，方括号里面是数组的成员数量。

int scores[100];

上面示例声明了一个数组scores，里面包含100个成员，每个成员都是int类型。

注意，声明数组时，必须给出数组的大小。

数组的成员从0开始编号，所以数组scores[100]就是从第0号成员一直到第99号成员，最后一个成员的编号会比数组长度小1。

数组名后面使用方括号指定编号，就可以引用该成员。也可以通过该方式，对该位置进行赋值。

scores[0] = 13;
scores[99] = 42;

上面示例对数组scores的第一个位置和最后一个位置，进行了赋值。

注意，如果引用不存在的数组成员（即越界访问数组），并不会报错，所以必须非常小心。

int scores[100];

scores[100] = 51;

上面示例中，数组scores只有100个成员，因此scores[100]这个位置是不存在的。但是，引用这个位置并不会报错，会正常运行，使得紧跟在scores后面的那块内存区域被赋值，而那实际上是其他变量的区域，因此不知不觉就更改了其他变量的值。这很容易引发错误，而且难以发现。

数组也可以在声明时，使用大括号，同时对每一个成员赋值。

int a[5] = {22, 37, 3490, 18, 95};

注意，使用大括号赋值时，必须在数组声明时赋值，否则编译时会报错。

int a[5];
a = {22, 37, 3490, 18, 95}; // 报错

上面代码中，数组a声明之后再进行大括号赋值，导致报错。

报错的原因是，C 语言规定，数组变量一旦声明，就不得修改变量指向的地址，具体会在后文解释。由于同样的原因，数组赋值之后，再用大括号修改值，也是不允许的。

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
a = {22, 37, 3490, 18, 95}; // 报错

上面代码中，数组a赋值后，再用大括号重新赋值也是不允许的。

使用大括号赋值时，大括号里面的值不能多于数组的长度，否则编译时会报错。

如果大括号里面的值，少于数组的成员数量，那么未赋值的成员自动初始化为0。

int a[5] = {22, 37, 3490};
// 等同于
int a[5] = {22, 37, 3490, 0, 0};

如果要将整个数组的每一个成员都设置为零，最简单的写法就是下面这样。

int a[100] = {0};

数组初始化时，可以指定为哪些位置的成员赋值。

int a[15] = {[2] = 29, [9] = 7, [14] = 48};

上面示例中，数组的2号、9号、14号位置被赋值，其他位置的值都自动设为0。

指定位置的赋值可以不按照顺序，下面的写法与上面的例子是等价的。

int a[15] = {[9] = 7, [14] = 48, [2] = 29};

指定位置的赋值与顺序赋值，可以结合使用。

int a[15] = {1, [5] = 10, 11, [10] = 20, 21}

上面示例中，0号、5号、6号、10号、11号被赋值。

C 语言允许省略方括号里面的数组成员数量，这时将根据大括号里面的值的数量，自动确定数组的长度。

int a[] = {22, 37, 3490};
// 等同于
int a[3] = {22, 37, 3490};

上面示例中，数组a的长度，将根据大括号里面的值的数量，确定为3。

省略成员数量时，如果同时采用指定位置的赋值，那么数组长度将是最大的指定位置再加1。

int a[] = {[2] = 6, [9] = 12};

上面示例中，数组a的最大指定位置是9，所以数组的长度是10。

数组长度

sizeof运算符会返回整个数组的字节长度。

int a[] = {22, 37, 3490};
int arrLen = sizeof(a); // 12

上面示例中，sizeof返回数组a的字节长度是12。

由于数组成员都是同一个类型，每个成员的字节长度都是一样的，所以数组整体的字节长度除以某个数组成员的字节长度，就可以得到数组的成员数量。

sizeof(a) / sizeof(a[0])

上面示例中，sizeof(a)是整个数组的字节长度，sizeof(a[0])是数组成员的字节长度，相除就是数组的成员数量。

注意，sizeof返回值的数据类型是size_t，所以sizeof(a) / sizeof(a[0])的数据类型也是size_t。在printf()里面的占位符，要用%zd或%zu。

int x[12];

printf("%zu\n", sizeof(x));     // 48
printf("%zu\n", sizeof(int));  // 4
printf("%zu\n", sizeof(x) / sizeof(int)); // 12

上面示例中，sizeof(x) / sizeof(int)就可以得到数组成员数量12。

多维数组

C 语言允许声明多个维度的数组，有多少个维度，就用多少个方括号，比如二维数组就使用两个方括号。

int board[10][10];

上面示例声明了一个二维数组，第一个维度有10个成员，第二个维度也有10个成员。

多维数组可以理解成，上层维度的每个成员本身就是一个数组。比如上例中，第一个维度的每个成员本身就是一个有10个成员的数组，因此整个二维数组共有100个成员（10 x 10 = 100）。

三维数组就使用三个方括号声明，以此类推。

int c[4][5][6];

引用二维数组的每个成员时，需要使用两个方括号，同时指定两个维度。

board[0][0] = 13;
board[9][9] = 13;

注意，board[0][0]不能写成board[0, 0]，因为0, 0是一个逗号表达式，返回第二个值，所以board[0, 0]等同于board[0]。

跟一维数组一样，多维数组每个维度的第一个成员也是从0开始编号。

多维数组也可以使用大括号，一次性对所有成员赋值。

int a[2][5] = {
  {0, 1, 2, 3, 4},
  {5, 6, 7, 8, 9}
};

上面示例中，a是一个二维数组，这种赋值写法相当于将第一维的每个成员写成一个数组。这种写法不用为每个成员都赋值，缺少的成员会自动设置为0。

多维数组也可以指定位置，进行初始化赋值。

int a[2][2] = {[0][0] = 1, [1][1] = 2};

上面示例中，指定了[0][0]和[1][1]位置的值，其他位置就自动设为0。

不管数组有多少维度，在内存里面都是线性存储，a[0][0]的后面是a[0][1]，a[0][1]的后面是a[1][0]，以此类推。因此，多维数组也可以使用单层大括号赋值，下面的语句与上面的赋值语句是完全等同的。

int a[2][2] = {1, 0, 0, 2};

变长数组

数组声明的时候，数组长度除了使用常量，也可以使用变量。这叫做变长数组（variable-length array，简称 VLA）。

int n = x + y;
int arr[n];

上面示例中，数组arr就是变长数组，因为它的长度取决于变量n的值，编译器没法事先确定，只有运行时才能知道n是多少。

变长数组的根本特征，就是数组长度只有运行时才能确定。它的好处是程序员不必在开发时，随意为数组指定一个估计的长度，程序可以在运行时为数组分配精确的长度。

任何长度需要运行时才能确定的数组，都是变长数组。

int i = 10;

int a1[i];
int a2[i + 5];
int a3[i + k];

上面示例中，三个数组的长度都需要运行代码才能知道，编译器并不知道它们的长度，所以它们都是变长数组。

变长数组也可以用于多维数组。

int m = 4;
int n = 5;
int c[m][n];

上面示例中，c[m][n]就是二维变长数组。

数组的地址

数组是一连串连续储存的同类型值，只要获得起始地址（首个成员的内存地址），就能推算出其他成员的地址。请看下面的例子。

int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};
int* p;

p = &a[0];

printf("%d\n", *p);  // Prints "11"

上面示例中，&a[0]就是数组a的首个成员11的内存地址，也是整个数组的起始地址。反过来，从这个地址（*p），可以获得首个成员的值11。

由于数组的起始地址是常用操作，&array[0]的写法有点麻烦，C 语言提供了便利写法，数组名等同于起始地址，也就是说，数组名就是指向第一个成员（array[0]）的指针。

int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};

int* p = &a[0];
// 等同于
int* p = a;

上面示例中，&a[0]和数组名a是等价的。

这样的话，如果把数组名传入一个函数，就等同于传入一个指针变量。在函数内部，就可以通过这个指针变量获得整个数组。

函数接受数组作为参数，函数原型可以写成下面这样。

// 写法一
int sum(int arr[], int len);
// 写法二
int sum(int* arr, int len);

上面示例中，传入一个整数数组，与传入一个整数指针是同一回事，数组符号[]与指针符号*是可以互换的。下一个例子是通过数组指针对成员求和。

int sum(int* arr, int len) {
  int i;
  int total = 0;

  // 假定数组有 10 个成员
  for (i = 0; i < len; i++) {
    total += arr[i];
  }
  return total;
}

上面示例中，传入函数的是一个指针arr（也是数组名）和数组长度，通过指针获取数组的每个成员，从而求和。

*和&运算符也可以用于多维数组。

int a[4][2];

// 取出 a[0][0] 的值
*(a[0]);
// 等同于
**a

上面示例中，由于a[0]本身是一个指针，指向第二维数组的第一个成员a[0][0]。所以，*(a[0])取出的是a[0][0]的值。至于**a，就是对a进行两次*运算，第一次取出的是a[0]，第二次取出的是a[0][0]。同理，二维数组的&a[0][0]等同于*a。

注意，数组名指向的地址是不能更改的。声明数组时，编译器自动为数组分配了内存地址，这个地址与数组名是绑定的，不可更改，下面的代码会报错。

int ints[100];
ints = NULL; // 报错

上面示例中，重新为数组名赋值，改变原来的内存地址，就会报错。

这也导致不能将一个数组名赋值给另外一个数组名。

int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};

// 写法一
int b[5] = a; // 报错

// 写法二
int b[5];
b = a; // 报错

上面两种写法都会更改数组b的地址，导致报错。

数组指针的加减法

C 语言里面，数组名可以进行加法和减法运算，等同于在数组成员之间前后移动，即从一个成员的内存地址移动到另一个成员的内存地址。比如，a + 1返回下一个成员的地址，a - 1返回上一个成员的地址。

int a[5] = {11, 22, 33, 44, 55};

for (int i = 0; i < 5; i++) {
  printf("%d\n", *(a + i));
}

上面示例中，通过指针的移动遍历数组，a + i的每轮循环每次都会指向下一个成员的地址，*(a + i)取出该地址的值，等同于a[i]。对于数组的第一个成员，*(a + 0)（即*a）等同于a[0]。

由于数组名与指针是等价的，所以下面的等式总是成立。

a[b] == *(a + b)

上面代码给出了数组成员的两种访问方式，一种是使用方括号a[b]，另一种是使用指针*(a + b)。

如果指针变量p指向数组的一个成员，那么p++就相当于指向下一个成员，这种方法常用来遍历数组。

int a[] = {11, 22, 33, 44, 55, 999};

int* p = a;

while (*p != 999) {
  printf("%d\n", *p);
  p++;
}

上面示例中，通过p++让变量p指向下一个成员。

注意，数组名指向的地址是不能变的，所以上例中，不能直接对a进行自增，即a++的写法是错的，必须将a的地址赋值给指针变量p，然后对p进行自增。

遍历数组一般都是通过数组长度的比较来实现，但也可以通过数组起始地址和结束地址的比较来实现。

int sum(int* start, int* end) {
  int total = 0;

  while (start < end) {
    total += *start;
    start++;
  }

  return total;
}

int arr[5] = {20, 10, 5, 39, 4};
printf("%i\n", sum(arr, arr + 5));

上面示例中，arr是数组的起始地址，arr + 5是结束地址。只要起始地址小于结束地址，就表示还没有到达数组尾部。

反过来，通过数组的减法，可以知道两个地址之间有多少个数组成员，请看下面的例子，自己实现一个计算数组长度的函数。

int arr[5] = {20, 10, 5, 39, 88};
int* p = arr;

while (*p != 88)
  p++;

printf("%i\n", p - arr); // 4

上面示例中，将某个数组成员的地址，减去数组起始地址，就可以知道，当前成员与起始地址之间有多少个成员。

对于多维数组，数组指针的加减法对于不同维度，含义是不一样的。

int arr[4][2];

// 指针指向 arr[1]
arr + 1;

// 指针指向 arr[0][1]
arr[0] + 1

上面示例中，arr是一个二维数组，arr + 1是将指针移动到第一维数组的下一个成员，即arr[1]。由于每个第一维的成员，本身都包含另一个数组，即arr[0]是一个指向第二维数组的指针，所以arr[0] + 1的含义是将指针移动到第二维数组的下一个成员，即arr[0][1]。

同一个数组的两个成员的指针相减时，返回它们之间的距离。

int* p = &a[5];
int* q = &a[1];

printf("%d\n", p - q); // 4
printf("%d\n", q - p); // -4

上面示例中，变量p和q分别是数组5号位置和1号位置的指针，它们相减等于4或-4。

数组的复制

由于数组名是指针，所以复制数组不能简单地复制数组名。

int* a;
int b[3] = {1, 2, 3};

a = b;

上面的写法，结果不是将数组b复制给数组a，而是让a和b指向同一个数组。

复制数组最简单的方法，还是使用循环，将数组元素逐个进行复制。

for (i = 0; i < N; i++)
  a[i] = b[i];

上面示例中，通过将数组b的成员逐个复制给数组a，从而实现数组的赋值。

另一种方法是使用memcpy()函数（定义在头文件string.h），直接把数组所在的那一段内存，再复制一份。

memcpy(a, b, sizeof(b));

上面示例中，将数组b所在的那段内存，复制给数组a。这种方法要比循环复制数组成员要快。

作为函数的参数

声明参数数组

数组作为函数的参数，一般会同时传入数组名和数组长度。

int sum_array(int a[], int n) {
  // ...
}

int a[] = {3, 5, 7, 3};
int sum = sum_array(a, 4);

上面示例中，函数sum_array()的第一个参数是数组本身，也就是数组名，第二个参数是数组长度。

由于数组名就是一个指针，如果只传数组名，那么函数只知道数组开始的地址，不知道结束的地址，所以才需要把数组长度也一起传入。

如果函数的参数是多维数组，那么除了第一维的长度可以当作参数传入函数，其他维的长度需要写入函数的定义。

int sum_array(int a[][4], int n) {
  // ...
}

int a[2][4] = {
  {1, 2, 3, 4},
  {8, 9, 10, 11}
};
int sum = sum_array(a, 2);

上面示例中，函数sum_array()的参数是一个二维数组。第一个参数是数组本身（a[][4]），这时可以不写第一维的长度，因为它作为第二个参数，会传入函数，但是一定要写第二维的长度4。

这是因为函数内部拿到的，只是数组的起始地址a，以及第一维的成员数量2。如果要正确计算数组的结束地址，还必须知道第一维每个成员的字节长度。写成int a[][4]，编译器就知道了，第一维每个成员本身也是一个数组，里面包含了4个整数，所以每个成员的字节长度就是4 * sizeof(int)。

变长数组作为参数

变长数组作为函数参数时，写法略有不同。

int sum_array(int n, int a[n]) {
  // ...
}

int a[] = {3, 5, 7, 3};
int sum = sum_array(4, a);

上面示例中，数组a[n]是一个变长数组，它的长度取决于变量n的值，只有运行时才能知道。所以，变量n作为参数时，顺序一定要在变长数组前面，这样运行时才能确定数组a[n]的长度，否则就会报错。

因为函数原型可以省略参数名，所以变长数组的原型中，可以使用*代替变量名，也可以省略变量名。

int sum_array(int, int [*]);
int sum_array(int, int []);

上面两种变长函数的原型写法，都是合法的。

变长数组作为函数参数有一个好处，就是多维数组的参数声明，可以把后面的维度省掉了。

// 原来的写法
int sum_array(int a[][4], int n);

// 变长数组的写法
int sum_array(int n, int m, int a[n][m]);

上面示例中，函数sum_array()的参数是一个多维数组，按照原来的写法，一定要声明第二维的长度。但是使用变长数组的写法，就不用声明第二维长度了，因为它可以作为参数传入函数。

数组字面量作为参数

C 语言允许将数组字面量作为参数，传入函数。

// 数组变量作为参数
int a[] = {2, 3, 4, 5};
int sum = sum_array(a, 4);

// 数组字面量作为参数
int sum = sum_array((int []){2, 3, 4, 5}, 4);

上面示例中，两种写法是等价的。第二种写法省掉了数组变量的声明，直接将数组字面量传入函数。{2, 3, 4, 5}是数组值的字面量，(int [])类似于强制的类型转换，告诉编译器怎么理解这组值。

字符串

简介

C 语言没有单独的字符串类型，字符串被当作字符数组，即char类型的数组。比如，字符串“Hello”是当作数组{'H', 'e', 'l', 'l', 'o'}处理的。

编译器会给数组分配一段连续内存，所有字符储存在相邻的内存单元之中。在字符串结尾，C 语言会自动添加一个全是二进制0的字节，写作\0字符，表示字符串结束。字符\0不同于字符0，前者的 ASCII 码是0（二进制形式00000000），后者的 ASCII 码是48（二进制形式00110000）。所以，字符串“Hello”实际储存的数组是{'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}。

所有字符串的最后一个字符，都是\0。这样做的好处是，C 语言不需要知道字符串的长度，就可以读取内存里面的字符串，只要发现有一个字符是\0，那么就知道字符串结束了。

char localString[10];

上面示例声明了一个10个成员的字符数组，可以当作字符串。由于必须留一个位置给\0，所以最多只能容纳9个字符的字符串。

字符串写成数组的形式，是非常麻烦的。C 语言提供了一种简写法，双引号之中的字符，会被自动视为字符数组。

{'H', 'e', 'l', 'l', 'o', '\0'}

// 等价于
"Hello"

上面两种字符串的写法是等价的，内部存储方式都是一样的。双引号里面的字符串，不用自己添加结尾字符\0，C 语言会自动添加。

注意，双引号里面是字符串，单引号里面是字符，两者不能互换。如果把Hello放在单引号里面，编译器会报错。

// 报错
'Hello'

另一方面，即使双引号里面只有一个字符（比如"a"），也依然被处理成字符串（存储为2个字节），而不是字符'a'（存储为1个字节）。

如果字符串内部包含双引号，则该双引号需要使用反斜杠转义。

"She replied, \"It does.\""

反斜杠还可以表示其他特殊字符，比如换行符（\n）、制表符（\t）等。

"Hello, world!\n"

如果字符串过长，可以在需要折行的地方，使用反斜杠（\）结尾，将一行拆成多行。

"hello \
world"

上面示例中，第一行尾部的反斜杠，将字符串拆成两行。

上面这种写法有一个缺点，就是第二行必须顶格书写，如果想包含缩进，那么缩进也会被计入字符串。为了解决这个问题，C 语言允许合并多个字符串字面量，只要这些字符串之间没有间隔，或者只有空格，C 语言会将它们自动合并。

char greeting[50] = "Hello, ""how are you ""today!";
// 等同于
char greeting[50] = "Hello, how are you today!";

这种新写法支持多行字符串的合并。

char greeting[50] = "Hello, "
  "how are you "
  "today!";

printf()使用占位符%s输出字符串。

printf("%s\n", "hello world")

字符串变量的声明

字符串变量可以声明成一个字符数组，也可以声明成一个指针，指向字符数组。

// 写法一
char s[14] = "Hello, world!";

// 写法二
char* s = "Hello, world!";

上面两种写法都声明了一个字符串变量s。如果采用第一种写法，由于字符数组的长度可以让编译器自动计算，所以声明时可以省略字符数组的长度。

char s[] = "Hello, world!";

上面示例中，编译器会将数组s的长度指定为14，正好容纳后面的字符串。

字符数组的长度，可以大于字符串的实际长度。

char s[50] = "hello";

上面示例中，字符数组s的长度是50，但是字符串“hello”的实际长度只有6（包含结尾符号\0），所以后面空出来的44个位置，都会被初始化为\0。

字符数组的长度，不能小于字符串的实际长度。

char s[5] = "hello";

上面示例中，字符串数组s的长度是5，小于字符串“hello”的实际长度6，这时编译器会报错。因为如果只将前5个字符写入，而省略最后的结尾符号\0，这很可能导致后面的字符串相关代码出错。

字符指针和字符数组，这两种声明字符串变量的写法基本是等价的，但是有两个差异。

第一个差异是，指针指向的字符串，在 C 语言内部被当作常量，不能修改字符串本身。

char* s = "Hello, world!";
s[0] = 'z'; // 错误

上面代码使用指针，声明了一个字符串变量，然后修改了字符串的第一个字符。这种写法是错的，会导致难以预测的后果，执行时很可能会报错。

如果使用数组声明字符串变量，就没有这个问题，可以修改数组的任意成员。

char s[] = "Hello, world!";
s[0] = 'z';

为什么字符串声明为指针时不能修改，声明为数组时就可以修改？原因是系统会将字符串的字面量保存在内存的常量区，这个区是不允许用户修改的。声明为指针时，指针变量存储的值是一个指向常量区的内存地址，因此用户不能通过这个地址去修改常量区。但是，声明为数组时，编译器会给数组单独分配一段内存，字符串字面量会被编译器解释成字符数组，逐个字符写入这段新分配的内存之中，而这段新内存是允许修改的。

为了提醒用户，字符串声明为指针后不得修改，可以在声明时使用const说明符，保证该字符串是只读的。

const char* s = "Hello, world!";

上面字符串声明为指针时，使用了const说明符，就保证了该字符串无法修改。一旦修改，编译器肯定会报错。

第二个差异是，指针变量可以指向其它字符串。

char* s = "hello";
s = "world";

上面示例中，字符指针可以指向另一个字符串。

但是，字符数组变量不能指向另一个字符串。

char s[] = "hello";
s = "world"; // 报错

上面示例中，字符数组的数组名，总是指向初始化时的字符串地址，不能修改。

同样的原因，声明字符数组后，不能直接用字符串赋值。

char s[10];
s = "abc"; // 错误

上面示例中，不能直接把字符串赋值给字符数组变量，会报错。原因是字符数组的变量名，跟所指向的数组是绑定的，不能指向另一个地址。

为什么数组变量不能赋值为另一个数组？原因是数组变量所在的地址无法改变，或者说，编译器一旦为数组变量分配地址后，这个地址就绑定这个数组变量了，这种绑定关系是不变的。C 语言也因此规定，数组变量是一个不可修改的左值，即不能用赋值运算符为它重新赋值。

想要重新赋值，必须使用 C 语言原生提供的strcpy()函数，通过字符串拷贝完成赋值。这样做以后，数组变量的地址还是不变的，即strcpy()只是在原地址写入新的字符串，而不是让数组变量指向新的地址。

char s[10];
strcpy(s, "abc");

上面示例中，strcpy()函数把字符串abc拷贝给变量s，这个函数的详细用法会在后面介绍。

strlen()

strlen()函数返回字符串的字节长度，不包括末尾的空字符\0。该函数的原型如下。

// string.h
size_t strlen(const char* s);

它的参数是字符串变量，返回的是size_t类型的无符号整数，除非是极长的字符串，一般情况下当作int类型处理即可。下面是一个用法实例。

char* str = "hello";
int len = strlen(str); // 5

strlen()的原型在标准库的string.h文件中定义，使用时需要加载头文件string.h。

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

int main(void) {
  char* s = "Hello, world!";
  printf("The string is %zd characters long.\n", strlen(s));
}

注意，字符串长度（strlen()）与字符串变量长度（sizeof()），是两个不同的概念。

char s[50] = "hello";
printf("%d\n", strlen(s));  // 5
printf("%d\n", sizeof(s));  // 50

上面示例中，字符串长度是5，字符串变量长度是50。

如果不使用这个函数，可以通过判断字符串末尾的\0，自己计算字符串长度。

int my_strlen(char *s) {
  int count = 0;
  while (s[count] != '\0')
    count++;
  return count;
}

strcpy()

字符串的复制，不能使用赋值运算符，直接将一个字符串赋值给字符数组变量。

char str1[10];
char str2[10];

str1 = "abc"; // 报错
str2 = str1;  // 报错

上面两种字符串的复制写法，都是错的。因为数组的变量名是一个固定的地址，不能修改，使其指向另一个地址。

如果是字符指针，赋值运算符（=）只是将一个指针的地址复制给另一个指针，而不是复制字符串。

char* s1;
char* s2;

s1 = "abc";
s2 = s1;

上面代码可以运行，结果是两个指针变量s1和s2指向同一字符串，而不是将字符串s1的内容复制给s2。

C 语言提供了strcpy()函数，用于将一个字符串的内容复制到另一个字符串，相当于字符串赋值。该函数的原型定义在string.h头文件里面。

strcpy(char dest[], const char source[])

strcpy()接受两个参数，第一个参数是目的字符串数组，第二个参数是源字符串数组。复制字符串之前，必须要保证第一个参数的长度不小于第二个参数，否则虽然不会报错，但会溢出第一个字符串变量的边界，发生难以预料的结果。第二个参数的const说明符，表示这个函数不会修改第二个字符串。

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

int main(void) {
  char s[] = "Hello, world!";
  char t[100];

  strcpy(t, s);

  t[0] = 'z';
  printf("%s\n", s);  // "Hello, world!"
  printf("%s\n", t);  // "zello, world!"
}

上面示例将变量s的值，拷贝一份放到变量t，变成两个不同的字符串，修改一个不会影响到另一个。另外，变量t的长度大于s，复制后多余的位置（结束标志\0后面的位置）都为随机值。

strcpy()也可以用于字符数组的赋值。

char str[10];
strcpy(str, "abcd");

上面示例将字符数组变量，赋值为字符串“abcd”。

strcpy()的返回值是一个字符串指针（即char*），指向第一个参数。

char* s1 = "beast";
char s2[40] = "Be the best that you can be.";
char* ps;

ps = strcpy(s2 + 7, s1);

puts(s2); // Be the beast
puts(ps); // beast

上面示例中，从s2的第7个位置开始拷贝字符串beast，前面的位置不变。这导致s2后面的内容都被截去了，因为会连beast结尾的空字符一起拷贝。strcpy()返回的是一个指针，指向拷贝开始的位置。

strcpy()返回值的另一个用途，是连续为多个字符数组赋值。

strcpy(str1, strcpy(str2, "abcd"));

上面示例调用两次strcpy()，完成两个字符串变量的赋值。

另外，strcpy()的第一个参数最好是一个已经声明的数组，而不是声明后没有进行初始化的字符指针。

char* str;
strcpy(str, "hello world"); // 错误

上面的代码是有问题的。strcpy()将字符串分配给指针变量str，但是str并没有进行初始化，指向的是一个随机的位置，因此字符串可能被复制到任意地方。

如果不用strcpy()，自己实现字符串的拷贝，可以用下面的代码。

char* strcpy(char* dest, const char* source) {
  char* ptr = dest;
  while (*dest++ = *source++);
  return ptr;
}

int main(void) {
  char str[25];
  strcpy(str, "hello world");
  printf("%s\n", str);
  return 0;
}

上面代码中，关键的一行是while (*dest++ = *source++)，这是一个循环，依次将source的每个字符赋值给dest，然后移向下一个位置，直到遇到\0，循环判断条件不再为真，从而跳出循环。其中，*dest++这个表达式等同于*(dest++)，即先返回dest这个地址，再进行自增运算移向下一个位置，而*dest可以对当前位置赋值。

strcpy()函数有安全风险，因为它并不检查目标字符串的长度，是否足够容纳源字符串的副本，可能导致写入溢出。如果不能保证不会发生溢出，建议使用strncpy()函数代替。

strncpy()

strncpy()跟strcpy()的用法完全一样，只是多了第3个参数，用来指定复制的最大字符数，防止溢出目标字符串变量的边界。

char* strncpy(
  char* dest, 
  char* src, 
  size_t n
);

上面原型中，第三个参数n定义了复制的最大字符数。如果达到最大字符数以后，源字符串仍然没有复制完，就会停止复制，这时目的字符串结尾将没有终止符\0，这一点务必注意。如果源字符串的字符数小于n，则strncpy()的行为与strcpy()完全一致。

strncpy(str1, str2, sizeof(str1) - 1);
str1[sizeof(str1) - 1] = '\0';

上面示例中，字符串str2复制给str1，但是复制长度最多为str1的长度减去1，str1剩下的最后一位用于写入字符串的结尾标志\0。这是因为strncpy()不会自己添加\0，如果复制的字符串片段不包含结尾标志，就需要手动添加。

strncpy()也可以用来拷贝部分字符串。

char s1[40];
char s2[12] = "hello world";

strncpy(s1, s2, 5);
s1[5] = '\0';

printf("%s\n", s1); // hello

上面示例中，指定只拷贝前5个字符。

strcat()

strcat()函数用于连接字符串。它接受两个字符串作为参数，把第二个字符串的副本添加到第一个字符串的末尾。这个函数会改变第一个字符串，但是第二个字符串不变。

该函数的原型定义在string.h头文件里面。

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

strcat()的返回值是一个字符串指针，指向第一个参数。

char s1[12] = "hello";
char s2[6] = "world";

strcat(s1, s2);
puts(s1); // "helloworld"

上面示例中，调用strcat()以后，可以看到字符串s1的值变了。

注意，strcat()的第一个参数的长度，必须足以容纳添加第二个参数字符串。否则，拼接后的字符串会溢出第一个字符串的边界，写入相邻的内存单元，这是很危险的，建议使用下面的strncat()代替。

strncat()

strncat()用于连接两个字符串，用法与strcat()完全一致，只是增加了第三个参数，指定最大添加的字符数。在添加过程中，一旦达到指定的字符数，或者在源字符串中遇到空字符\0，就不再添加了。它的原型定义在string.h头文件里面。

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

strncat()返回第一个参数，即目标字符串指针。

为了保证连接后的字符串，不超过目标字符串的长度，strncat()通常会写成下面这样。

strncat(
  str1, 
  str2, 
  sizeof(str1) - strlen(str1) - 1
);

strncat()总是会在拼接结果的结尾，自动添加空字符\0，所以第三个参数的最大值，应该是str1的变量长度减去str1的字符串长度，再减去1。下面是一个用法实例。

char s1[10] = "Monday";
char s2[8] = "Tuesday";

strncat(s1, s2, 3);
puts(s1); // "MondayTue"

上面示例中，s1的变量长度是10，字符长度是6，两者相减后再减去1，得到3，表明s1最多可以再添加三个字符，所以得到的结果是MondayTue。

strcmp()

如果要比较两个字符串，无法直接比较，只能一个个字符进行比较，C 语言提供了strcmp()函数。

strcmp()函数用于比较两个字符串的内容。该函数的原型如下，定义在string.h头文件里面。

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

按照字典顺序，如果两个字符串相同，返回值为0；如果s1小于s2，strcmp()返回值小于0；如果s1大于s2，返回值大于0。

下面是一个用法示例。

// s1 = Happy New Year
// s2 = Happy New Year
// s3 = Happy Holidays

strcmp(s1, s2) // 0
strcmp(s1, s3) // 大于 0
strcmp(s3, s1) // 小于 0

注意，strcmp()只用来比较字符串，不用来比较字符。因为字符就是小整数，直接用相等运算符（==）就能比较。所以，不要把字符类型（char）的值，放入strcmp()当作参数。

strncmp()

由于strcmp()比较的是整个字符串，C 语言又提供了strncmp()函数，只比较到指定的位置。

该函数增加了第三个参数，指定了比较的字符数。它的原型定义在string.h头文件里面。

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

它的返回值与strcmp()一样。如果两个字符串相同，返回值为0；如果s1小于s2，strcmp()返回值小于0；如果s1大于s2，返回值大于0。

下面是一个例子。

char s1[12] = "hello world";
char s2[12] = "hello C";

if (strncmp(s1, s2, 5) == 0) {
  printf("They all have hello.\n");
}

上面示例只比较两个字符串的前5个字符。

sprintf()，snprintf()

sprintf()函数跟printf()类似，但是用于将数据写入字符串，而不是输出到显示器。该函数的原型定义在stdio.h头文件里面。

int sprintf(char* s, const char* format, ...);

sprintf()的第一个参数是字符串指针变量，其余参数和printf()相同，即第二个参数是格式字符串，后面的参数是待写入的变量列表。

char first[6] = "hello";
char last[6] = "world";
char s[40];

sprintf(s, "%s %s", first, last);

printf("%s\n", s); // hello world

上面示例中，sprintf()将输出内容组合成“hello world”，然后放入了变量s。

sprintf()的返回值是写入变量的字符数量（不计入尾部的空字符\0）。如果遇到错误，返回负值。

sprintf()有严重的安全风险，如果写入的字符串过长，超过了目标字符串的长度，sprintf()依然会将其写入，导致发生溢出。为了控制写入的字符串的长度，C 语言又提供了另一个函数snprintf()。

snprintf()只比sprintf()多了一个参数n，用来控制写入变量的字符串不超过n - 1个字符，剩下一个位置写入空字符\0。下面是它的原型。

int snprintf(char*s, size_t n, const char* format, ...);

snprintf()总是会自动写入字符串结尾的空字符。如果你尝试写入的字符数超过指定的最大字符数，snprintf()会写入 n - 1 个字符，留出最后一个位置写入空字符。

下面是一个例子。

snprintf(s, 12, "%s %s", "hello", "world");

上面的例子中，snprintf()的第二个参数是12，表示写入字符串的最大长度不超过12（包括尾部的空字符）。

snprintf()的返回值是写入格式字符串的字符数量（不计入尾部的空字符\0）。如果n足够大，返回值应该小于n，但是有时候格式字符串的长度可能大于n，那么这时返回值会大于n，但实际上真正写入变量的还是n-1个字符。如果遇到错误，返回一个负值。因此，返回值只有在非负并且小于n时，才能确认完整的格式字符串写入了变量。

字符串数组

如果一个数组的每个成员都是一个字符串，需要通过二维的字符数组实现。每个字符串本身是一个字符数组，多个字符串再组成一个数组。

char weekdays[7][10] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面示例就是一个字符串数组，一共包含7个字符串，所以第一维的长度是7。其中，最长的字符串的长度是10（含结尾的终止符\0），所以第二维的长度统一设为10。

因为第一维的长度，编译器可以自动计算，所以可以省略。

char weekdays[][10] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面示例中，二维数组第一维的长度，可以由编译器根据后面的赋值，自动计算，所以可以不写。

数组的第二维，长度统一定为10，有点浪费空间，因为大多数成员的长度都小于10。解决方法就是把数组的第二维，从字符数组改成字符指针。

char* weekdays[] = {
  "Monday",
  "Tuesday",
  "Wednesday",
  "Thursday",
  "Friday",
  "Saturday",
  "Sunday"
};

上面的字符串数组，其实是一个一维数组，成员就是7个字符指针，每个指针指向一个字符串（字符数组）。

遍历字符串数组的写法如下。

for (int i = 0; i < 7; i++) {
  printf("%s\n", weekdays[i]);
}

C 语言的内存管理

简介

C 语言的内存管理，分成两部分。一部分是系统管理的，另一部分是用户手动管理的。

系统管理的内存，主要是函数内部的变量（局部变量）。这部分变量在函数运行时进入内存，函数运行结束后自动从内存卸载。这些变量存放的区域称为”栈“（stack），”栈“所在的内存是系统自动管理的。

用户手动管理的内存，主要是程序运行的整个过程中都存在的变量（全局变量），这些变量需要用户手动从内存释放。如果使用后忘记释放，它就一直占用内存，直到程序退出，这种情况称为”内存泄漏“（memory leak）。这些变量所在的内存称为”堆“（heap），”堆“所在的内存是用户手动管理的。

void 指针

前面章节已经说过了，每一块内存都有地址，通过指针变量可以获取指定地址的内存块。指针变量必须有类型，否则编译器无法知道，如何解读内存块保存的二进制数据。但是，向系统请求内存的时候，有时不确定会有什么样的数据写入内存，需要先获得内存块，稍后再确定写入的数据类型。

为了满足这种需求，C 语言提供了一种不定类型的指针，叫做 void 指针。它只有内存块的地址信息，没有类型信息，等到使用该块内存的时候，再向编译器补充说明，里面的数据类型是什么。

另一方面，void 指针等同于无类型指针，可以指向任意类型的数据，但是不能解读数据。void 指针与其他所有类型指针之间是互相转换关系，任一类型的指针都可以转为 void 指针，而 void 指针也可以转为任一类型的指针。

int x = 10;

void* p = &x; // 整数指针转为 void 指针
int* q = p; // void 指针转为整数指针

上面示例演示了，整数指针和 void 指针如何互相转换。&x是一个整数指针，p是 void 指针，赋值时&x的地址会自动解释为 void 类型。同样的，p再赋值给整数指针q时，p的地址会自动解释为整数指针。

注意，由于不知道 void 指针指向什么类型的值，所以不能用*运算符取出它指向的值。

char a = 'X';
void* p = &a;

printf("%c\n", *p); // 报错

上面示例中，p是一个 void 指针，所以这时无法用*p取出指针指向的值。

void 指针的重要之处在于，很多内存相关函数的返回值就是 void 指针，只给出内存块的地址信息，所以放在最前面进行介绍。

malloc()

malloc()函数用于分配内存，该函数向系统要求一段内存，系统就在“堆”里面分配一段连续的内存块给它。它的原型定义在头文件stdlib.h。

void* malloc(size_t size)

它接受一个非负整数作为参数，表示所要分配的内存字节数，返回一个 void 指针，指向分配好的内存块。这是非常合理的，因为malloc()函数不知道，将要存储在该块内存的数据是什么类型，所以只能返回一个无类型的 void 指针。

可以使用malloc()为任意类型的数据分配内存，常见的做法是先使用sizeof()函数，算出某种数据类型所需的字节长度，然后再将这个长度传给malloc()。

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

*p = 12;
printf("%d\n", *p); // 12

上面示例中，先为整数类型分配一段内存，然后将整数12放入这段内存里面。这个例子其实不需要使用malloc()，因为 C 语言会自动为整数（本例是12）提供内存。

有时候为了增加代码的可读性，可以对malloc()返回的指针进行一次强制类型转换。

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

上面代码将malloc()返回的 void 指针，强制转换成了整数指针。

由于sizeof()的参数可以是变量，所以上面的例子也可以写成下面这样。

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

malloc()分配内存有可能分配失败，这时返回常量NULL。NULL的值为0，是一个无法读写的内存地址，可以理解成一个不指向任何地方的指针。它在包括stdlib.h等多个头文件里面都有定义，所以只要可以使用malloc()，就可以使用NULL。由于存在分配失败的可能，所以最好在使用malloc()之后检查一下，是否分配成功。

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

if (p == NULL) {
  // 内存分配失败
}

// or
if (!p) {
  //...
}

上面示例中，通过判断返回的指针p是否为NULL，确定malloc()是否分配成功。

malloc()最常用的场合，就是为数组和自定义数据结构分配内存。

int* p = (int*) malloc(sizeof(int) * 10);

for (int i = 0; i < 10; i++)
  p[i] = i * 5;

上面示例中，p是一个整数指针，指向一段可以放置10个整数的内存，所以可以用作数组。

malloc()用来创建数组，有一个好处，就是它可以创建动态数组，即根据成员数量的不同，而创建长度不同的数组。

int* p = (int*) malloc(n * sizeof(int));

上面示例中，malloc()可以根据变量n的不同，动态为数组分配不同的大小。

注意，malloc()不会对所分配的内存进行初始化，里面还保存着原来的值。如果没有初始化，就使用这段内存，可能从里面读到以前的值。程序员要自己负责初始化，比如，字符串初始化可以使用strcpy()函数。

char* p = malloc(4);
strcpy(p, "abc");

上面示例中，字符指针p指向一段4个字节的内存，strcpy()将字符串“abc”拷贝放入这段内存，完成了这段内存的初始化。

free()

free()用于释放malloc()函数分配的内存，将这块内存还给系统以便重新使用，否则这个内存块会一直占用到程序运行结束。该函数的原型定义在头文件stdlib.h里面。

void free(void* block)

上面代码中，free()的参数是malloc()返回的内存地址。下面就是用法实例。

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

*p = 12;
free(p);

注意，分配的内存块一旦释放，就不应该再次操作已经释放的地址，也不应该再次使用free()对该地址释放第二次。

一个很常见的错误是，在函数内部分配了内存，但是函数调用结束时，没有使用free()释放内存。

void gobble(double arr[], int n) {
  double* temp = (double*) malloc(n * sizeof(double));
  // ...
}

上面示例中，函数gobble()内部分配了内存，但是没有写free(temp)。这会造成函数运行结束后，占用的内存块依然保留，如果多次调用gobble()，就会留下多个内存块。并且，由于指针temp已经消失了，也无法访问这些内存块，再次使用。

calloc()

calloc()函数的作用与malloc()相似，也是分配内存块。该函数的原型定义在头文件stdlib.h。

两者的区别主要有两点：

（1）calloc()接受两个参数，第一个参数是某种数据类型的值的数量，第二个是该数据类型的单位字节长度。

void* calloc(size_t n, size_t size);

calloc()的返回值也是一个 void 指针。分配失败时，返回 NULL。

（2）calloc()会将所分配的内存全部初始化为0。malloc()不会对内存进行初始化，如果想要初始化为0，还要额外调用memset()函数。

int* p = calloc(10, sizeof(int));

// 等同于
int* p = malloc(sizeof(int) * 10);
memset(p, 0, sizeof(int) * 10);

上面示例中，calloc()相当于malloc() + memset()。

calloc()分配的内存块，也要使用free()释放。

realloc()

realloc()函数用于修改已经分配的内存块的大小，可以放大也可以缩小，返回一个指向新的内存块的指针。如果分配不成功，返回 NULL。该函数的原型定义在头文件stdlib.h。

void* realloc(void* block, size_t size)

它接受两个参数。

• block：已经分配好的内存块指针（由malloc()或calloc()或realloc()产生）。
• size：该内存块的新大小，单位为字节。

realloc()可能返回一个全新的地址（数据也会自动复制过去），也可能返回跟原来一样的地址。realloc()优先在原有内存块上进行缩减，尽量不移动数据，所以通常是返回原先的地址。如果新内存块小于原来的大小，则丢弃超出的部分；如果大于原来的大小，则不对新增的部分进行初始化（程序员可以自动调用memset()）。

下面是一个例子，b是数组指针，realloc()动态调整它的大小。

int* b;

b = malloc(sizeof(int) * 10);
b = realloc(b, sizeof(int) * 2000);

上面示例中，指针b原来指向10个成员的整数数组，使用realloc()调整为2000个成员的数组。这就是手动分配数组内存的好处，可以在运行时随时调整数组的长度。

realloc()的第一个参数可以是 NULL，这时就相当于新建一个指针。

char* p = realloc(NULL, 3490);
// 等同于
char* p = malloc(3490);

如果realloc()的第二个参数是0，就会释放掉内存块。

由于有分配失败的可能，所以调用realloc()以后，最好检查一下它的返回值是否为 NULL。分配失败时，原有内存块中的数据不会发生改变。

float* new_p = realloc(p, sizeof(*p * 40));

if (new_p == NULL) {
  printf("Error reallocing\n");
  return 1;
}

注意，realloc()不会对内存块进行初始化。

restrict 说明符

声明指针变量时，可以使用restrict说明符，告诉编译器，该块内存区域只有当前指针一种访问方式，其他指针不能读写该块内存。这种指针称为“受限指针”（restrict pointer）。

int* restrict p;
p = malloc(sizeof(int));

上面示例中，声明指针变量p时，加入了restrict说明符，使得p变成了受限指针。后面，当p指向malloc()函数返回的一块内存区域，就意味着，该区域只有通过p来访问，不存在其他访问方式。

int* restrict p;
p = malloc(sizeof(int));

int* q = p;
*q = 0; // 未定义行为

上面示例中，另一个指针q与受限指针p指向同一块内存，现在该内存有p和q两种访问方式。这就违反了对编译器的承诺，后面通过*q对该内存区域赋值，会导致未定义行为。

memcpy()

memcpy()用于将一块内存拷贝到另一块内存。该函数的原型定义在头文件string.h。

void* memcpy(
  void* restrict dest, 
  void* restrict source, 
  size_t n
);

上面代码中，dest是目标地址，source是源地址，第三个参数n是要拷贝的字节数n。如果要拷贝10个 double 类型的数组成员，n就等于10 * sizeof(double)，而不是10。该函数会将从source开始的n个字节，拷贝到dest。

dest和source都是 void 指针，表示这里不限制指针类型，各种类型的内存数据都可以拷贝。两者都有 restrict 关键字，表示这两个内存块不应该有互相重叠的区域。

memcpy()的返回值是第一个参数，即目标地址的指针。

因为memcpy()只是将一段内存的值，复制到另一段内存，所以不需要知道内存里面的数据是什么类型。下面是复制字符串的例子。

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

int main(void) {
  char s[] = "Goats!";
  char t[100];

  memcpy(t, s, sizeof(s));  // 拷贝7个字节，包括终止符

  printf("%s\n", t);  // "Goats!"

  return 0;
}

上面示例中，字符串s所在的内存，被拷贝到字符数组t所在的内存。

memcpy()可以取代strcpy()进行字符串拷贝，而且是更好的方法，不仅更安全，速度也更快，它不检查字符串尾部的\0字符。

char* s = "hello world";

size_t len = strlen(s) + 1;
char *c = malloc(len);

if (c) {
  // strcpy() 的写法
  strcpy(c, s);

  // memcpy() 的写法
  memcpy(c, s, len);
}

上面示例中，两种写法的效果完全一样，但是memcpy()的写法要好于strcpy()。

使用 void 指针，也可以自定义一个复制内存的函数。

void* my_memcpy(void* dest, void* src, int byte_count) {
  char* s = src;
  char* d = dest;

  while (byte_count--) {
    *d++ = *s++;
  }

  return dest;

}

上面示例中，不管传入的dest和src是什么类型的指针，将它们重新定义成一字节的 Char 指针，这样就可以逐字节进行复制。*d++ = *s++语句相当于先执行*d = *s（源字节的值复制给目标字节），然后各自移动到下一个字节。最后，返回复制后的dest指针，便于后续使用。

memmove()

memmove()函数用于将一段内存数据复制到另一段内存。它跟memcpy()的主要区别是，它允许目标区域与源区域有重叠。如果发生重叠，源区域的内容会被更改；如果没有重叠，它与memcpy()行为相同。

该函数的原型定义在头文件string.h。

void* memmove(
  void* dest, 
  void* source, 
  size_t n
);

上面代码中，dest是目标地址，source是源地址，n是要移动的字节数。dest和source都是 void 指针，表示可以移动任何类型的内存数据，两个内存区域可以有重叠。

memmove()返回值是第一个参数，即目标地址的指针。

int a[100];
// ...

memmove(&a[0], &a[1], 99 * sizeof(int));

上面示例中，从数组成员a[1]开始的99个成员，都向前移动一个位置。

下面是另一个例子。

char x[] = "Home Sweet Home";

// 输出 Sweet Home Home
printf("%s\n", (char *) memmove(x, &x[5], 10));

上面示例中，从字符串x的5号位置开始的10个字节，就是“Sweet Home”，memmove()将其前移到0号位置，所以x就变成了“Sweet Home Home”。

memcmp()

memcmp()函数用来比较两个内存区域。它的原型定义在string.h。

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

它接受三个参数，前两个参数是用来比较的指针，第三个参数指定比较的字节数。

它的返回值是一个整数。两块内存区域的每个字节以字符形式解读，按照字典顺序进行比较，如果两者相同，返回0；如果s1大于s2，返回大于0的整数；如果s1小于s2，返回小于0的整数。

char* s1 = "abc";
char* s2 = "acd";
int r = memcmp(s1, s2, 3); // 小于 0

上面示例比较s1和s2的前三个字节，由于s1小于s2，所以r是一个小于0的整数，一般为-1。

下面是另一个例子。

char s1[] = {'b', 'i', 'g', '\0', 'c', 'a', 'r'};
char s2[] = {'b', 'i', 'g', '\0', 'c', 'a', 't'};

if (memcmp(s1, s2, 3) == 0) // true
if (memcmp(s1, s2, 4) == 0) // true
if (memcmp(s1, s2, 7) == 0) // false

上面示例展示了，memcmp()可以比较内部带有字符串终止符\0的内存区域。

struct 结构

简介

C 语言内置的数据类型，除了最基本的几种原始类型，只有数组属于复合类型，可以同时包含多个值，但是只能包含相同类型的数据，实际使用中并不够用。

实际使用中，主要有下面两种情况，需要更灵活强大的复合类型。

• 复杂的物体需要使用多个变量描述，这些变量都是相关的，最好有某种机制将它们联系起来。
• 某些函数需要传入多个参数，如果一个个按照顺序传入，非常麻烦，最好能组合成一个复合结构传入。

为了解决这些问题，C 语言提供了struct关键字，允许自定义复合数据类型，将不同类型的值组合在一起。这样不仅为编程提供方便，也有利于增强代码的可读性。C 语言没有其他语言的对象（object）和类（class）的概念，struct 结构很大程度上提供了对象和类的功能。

下面是struct自定义数据类型的一个例子。

struct fraction {
  int numerator;
  int denominator;
};

上面示例定义了一个分数的数据类型struct fraction，包含两个属性numerator和denominator。

注意，作为一个自定义的数据类型，它的类型名要包括struct关键字，比如上例是struct fraction，单独的fraction没有任何意义，甚至脚本还可以另外定义名为fraction的变量，虽然这样很容易造成混淆。另外，struct语句结尾的分号不能省略，否则很容易产生错误。

定义了新的数据类型以后，就可以声明该类型的变量，这与声明其他类型变量的写法是一样的。

struct fraction f1;

f1.numerator = 22;
f1.denominator = 7;

上面示例中，先声明了一个struct fraction类型的变量f1，这时编译器就会为f1分配内存，接着就可以为f1的不同属性赋值。可以看到，struct 结构的属性通过点（.）来表示，比如numerator属性要写成f1.numerator。

再提醒一下，声明自定义类型的变量时，类型名前面，不要忘记加上struct关键字。也就是说，必须使用struct fraction f1声明变量，不能写成fraction f1。

除了逐一对属性赋值，也可以使用大括号，一次性对 struct 结构的所有属性赋值。

struct car {
  char* name;
  float price;
  int speed;
};

struct car saturn = {"Saturn SL/2", 16000.99, 175};

上面示例中，变量saturn是struct car类型，大括号里面同时对它的三个属性赋值。如果大括号里面的值的数量，少于属性的数量，那么缺失的属性自动初始化为0。

注意，大括号里面的值的顺序，必须与 struct 类型声明时属性的顺序一致。否则，必须为每个值指定属性名。

struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"};

上面示例中，初始化的属性少于声明时的属性，这时剩下的那些属性都会初始化为0。

声明变量以后，可以修改某个属性的值。

struct car saturn = {.speed=172, .name="Saturn SL/2"};
saturn.speed = 168;

上面示例将speed属性的值改成168。

struct 的数据类型声明语句与变量的声明语句，可以合并为一个语句。

struct book {
  char title[500];
  char author[100];
  float value;
} b1;

上面的语句同时声明了数据类型book和该类型的变量b1。如果类型标识符book只用在这一个地方，后面不再用到，这里可以将类型名省略。

struct {
  char title[500];
  char author[100];
  float value;
} b1;

上面示例中，struct声明了一个匿名数据类型，然后又声明了这个类型的变量b1。

与其他变量声明语句一样，可以在声明变量的同时，对变量赋值。

struct {
  char title[500];
  char author[100];
  float value;
} b1 = {"Harry Potter", "J. K. Rowling", 10.0},
  b2 = {"Cancer Ward", "Aleksandr Solzhenitsyn", 7.85};

上面示例中，在声明变量b1和b2的同时，为它们赋值。

下一章介绍的typedef命令可以为 struct 结构指定一个别名，这样使用起来更简洁。

typedef struct cell_phone {
  int cell_no;
  float minutes_of_charge;
} phone;

phone p = {5551234, 5};

上面示例中，phone就是struct cell_phone的别名。

指针变量也可以指向struct结构。

struct book {
  char title[500];
  char author[100];
  float value;
}* b1;

// 或者写成两个语句
struct book {
  char title[500];
  char author[100];
  float value;
};
struct book* b1;

上面示例中，变量b1是一个指针，指向的数据是struct book类型的实例。

struct 结构也可以作为数组成员。

struct fraction numbers[1000];

numbers[0].numerator = 22;
numbers[0].denominator = 7;

上面示例声明了一个有1000个成员的数组numbers，每个成员都是自定义类型fraction的实例。

struct 结构占用的存储空间，不是各个属性存储空间的总和，而是最大内存占用属性的存储空间的倍数，其他属性会添加空位与之对齐。这样可以提高读写效率。

struct foo {
  int a;
  char* b;
  char c;
};
printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 24

上面示例中，struct foo有三个属性，在64位计算机上占用的存储空间分别是：int a占4个字节，指针char* b占8个字节，char c占1个字节。它们加起来，一共是13个字节（4 + 8 + 1）。但是实际上，struct foo会占用24个字节，原因是它最大的内存占用属性是char* b的8个字节，导致其他属性的存储空间也是8个字节，这样才可以对齐，导致整个struct foo就是24个字节（8 * 3）。

多出来的存储空间，都采用空位填充，所以上面的struct foo真实的结构其实是下面这样。

struct foo {
  int a;        // 4
  char pad1[4]; // 填充4字节
  char *b;      // 8
  char c;       // 1
  char pad2[7]; // 填充7字节
};
printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 24

为什么浪费这么多空间进行内存对齐呢？这是为了加快读写速度，把内存占用划分成等长的区块，就可以快速在 Struct 结构体中定位到每个属性的起始地址。

由于这个特性，在有必要的情况下，定义 Struct 结构体时，可以采用存储空间递增的顺序，定义每个属性，这样就能节省一些空间。

struct foo {
  char c;
  int a;
  char* b;
};
printf("%d\n", sizeof(struct foo)); // 16

上面示例中，占用空间最小的char c排在第一位，其次是int a，占用空间最大的char* b排在最后。整个strct foo的内存占用就从24字节下降到16字节。

struct 的复制

struct 变量可以使用赋值运算符（=），复制给另一个变量，这时会生成一个全新的副本。系统会分配一块新的内存空间，大小与原来的变量相同，把每个属性都复制过去，即原样生成了一份数据。这一点跟数组的复制不一样，务必小心。

struct cat { char name[30]; short age; } a, b;

strcpy(a.name, "Hula");
a.age = 3;

b = a;
b.name[0] = 'M';

printf("%s\n", a.name); // Hula
printf("%s\n", b.name); // Mula

上面示例中，变量b是变量a的副本，两个变量的值是各自独立的，修改掉b.name不影响a.name。

上面这个示例是有前提的，就是 struct 结构的属性必须定义成字符数组，才能复制数据。如果稍作修改，属性定义成字符指针，结果就不一样。

struct cat { char* name; short age; } a, b;

a.name = "Hula";
a.age = 3;

b = a;

上面示例中，name属性变成了一个字符指针，这时a赋值给b，导致b.name也是同样的字符指针，指向同一个地址，也就是说两个属性共享同一个地址。因为这时，struct 结构内部保存的是一个指针，而不是上一个例子的数组，这时复制的就不是字符串本身，而是它的指针。并且，这个时候也没法修改字符串，因为字符指针指向的字符串是不能修改的。

总结一下，赋值运算符（=）可以将 struct 结构每个属性的值，一模一样复制一份，拷贝给另一个 struct 变量。这一点跟数组完全不同，使用赋值运算符复制数组，不会复制数据，只会共享地址。

注意，这种赋值要求两个变量是同一个类型，不同类型的 struct 变量无法互相赋值。

另外，C 语言没有提供比较两个自定义数据结构是否相等的方法，无法用比较运算符（比如==和!=）比较两个数据结构是否相等或不等。

struct 指针

如果将 struct 变量传入函数，函数内部得到的是一个原始值的副本。

#include <stdio.h>

struct turtle {
  char* name;
  char* species;
  int age;
};

void happy(struct turtle t) {
  t.age = t.age + 1;
}

int main() {
  struct turtle myTurtle = {"MyTurtle", "sea turtle", 99};
  happy(myTurtle);
  printf("Age is %i\n", myTurtle.age); // 输出 99
  return 0;
}

上面示例中，函数happy()传入的是一个 struct 变量myTurtle，函数内部有一个自增操作。但是，执行完happy()以后，函数外部的age属性值根本没变。原因就是函数内部得到的是 struct 变量的副本，改变副本影响不到函数外部的原始数据。

通常情况下，开发者希望传入函数的是同一份数据，函数内部修改数据以后，会反映在函数外部。而且，传入的是同一份数据，也有利于提高程序性能。这时就需要将 struct 变量的指针传入函数，通过指针来修改 struct 属性，就可以影响到函数外部。

struct 指针传入函数的写法如下。

void happy(struct turtle* t) {
}

happy(&myTurtle);

上面代码中，t是 struct 结构的指针，调用函数时传入的是指针。struct 类型跟数组不一样，类型标识符本身并不是指针，所以传入时，指针必须写成&myTurtle。

函数内部也必须使用(*t).age的写法，从指针拿到 struct 结构本身。

void happy(struct turtle* t) {
  (*t).age = (*t).age + 1;
}

上面示例中，(*t).age不能写成*t.age，因为点运算符.的优先级高于*。*t.age这种写法会将t.age看成一个指针，然后取它对应的值，会出现无法预料的结果。

现在，重新编译执行上面的整个示例，happy()内部对 struct 结构的操作，就会反映到函数外部。

(*t).age这样的写法很麻烦。C 语言就引入了一个新的箭头运算符（->），可以从 struct 指针上直接获取属性，大大增强了代码的可读性。

void happy(struct turtle* t) {
  t->age = t->age + 1;
}

总结一下，对于 struct 变量名，使用点运算符（.）获取属性；对于 struct 变量指针，使用箭头运算符（->）获取属性。以变量myStruct为例，假设ptr是它的指针，那么下面三种写法是同一回事。

// ptr == &myStruct
myStruct.prop == (*ptr).prop == ptr->prop

struct 的嵌套

struct 结构的成员可以是另一个 struct 结构。

struct species {
  char* name;
  int kinds;
};

struct fish {
  char* name;
  int age;
  struct species breed;
};

上面示例中，fish的属性breed是另一个 struct 结构species。

赋值的时候有多种写法。

// 写法一
struct fish shark = {"shark", 9, {"Selachimorpha", 500}};

// 写法二
struct species myBreed = {"Selachimorpha", 500};
struct fish shark = {"shark", 9, myBreed};

// 写法三
struct fish shark = {
  .name="shark",
  .age=9,
  .breed={"Selachimorpha", 500}
};

// 写法四
struct fish shark = {
  .name="shark",
  .age=9,
  .breed.name="Selachimorpha",
  .breed.kinds=500
};

printf("Shark's species is %s", shark.breed.name);

上面示例展示了嵌套 Struct 结构的四种赋值写法。另外，引用breed属性的内部属性，要使用两次点运算符（shark.breed.name）。

下面是另一个嵌套 struct 的例子。

struct name {
  char first[50];
  char last[50];
};

struct student {
  struct name name;
  short age;
  char sex;
} student1;

strcpy(student1.name.first, "Harry");
strcpy(student1.name.last, "Potter");

// or
struct name myname = {"Harry", "Potter"};
student1.name = myname;

上面示例中，自定义类型student的name属性是另一个自定义类型，如果要引用后者的属性，就必须使用两个.运算符，比如student1.name.first。另外，对字符数组属性赋值，要使用strcpy()函数，不能直接赋值，因为直接改掉字符数组名的地址会报错。

struct 结构内部不仅可以引用其他结构，还可以自我引用，即结构内部引用当前结构。比如，链表结构的节点就可以写成下面这样。

struct node {
  int data;
  struct node* next;
};

上面示例中，node结构的next属性，就是指向另一个node实例的指针。下面，使用这个结构自定义一个数据链表。

struct node {
  int data;
  struct node* next;
};

struct node* head;

// 生成一个三个节点的列表 (11)->(22)->(33)
head = malloc(sizeof(struct node));

head->data = 11;
head->next = malloc(sizeof(struct node));

head->next->data = 22;
head->next->next = malloc(sizeof(struct node));

head->next->next->data = 33;
head->next->next->next = NULL;

// 遍历这个列表
for (struct node *cur = head; cur != NULL; cur = cur->next) {
  printf("%d\n", cur->data);
}

上面示例是链表结构的最简单实现，通过for循环可以对其进行遍历。

位字段

struct 还可以用来定义二进制位组成的数据结构，称为“位字段”（bit field），这对于操作底层的二进制数据非常有用。

struct {
  unsigned int ab:1;
  unsigned int cd:1;
  unsigned int ef:1;
  unsigned int gh:1;
} synth;

synth.ab = 0;
synth.cd = 1;

上面示例中，每个属性后面的:1，表示指定这些属性只占用一个二进制位，所以这个数据结构一共是4个二进制位。

注意，定义二进制位时，结构内部的各个属性只能是整数类型。

实际存储的时候，C 语言会按照int类型占用的字节数，存储一个位字段结构。如果有剩余的二进制位，可以使用未命名属性，填满那些位。也可以使用宽度为0的属性，表示占满当前字节剩余的二进制位，迫使下一个属性存储在下一个字节。

struct {
  unsigned int field1 : 1;
  unsigned int        : 2;
  unsigned int field2 : 1;
  unsigned int        : 0;
  unsigned int field3 : 1;
} stuff;

上面示例中，stuff.field1与stuff.field2之间，有一个宽度为两个二进制位的未命名属性。stuff.field3将存储在下一个字节。

弹性数组成员

很多时候，不能事先确定数组到底有多少个成员。如果声明数组的时候，事先给出一个很大的成员数，就会很浪费空间。C 语言提供了一个解决方法，叫做弹性数组成员（flexible array member）。

如果不能事先确定数组成员的数量时，可以定义一个 struct 结构。

struct vstring {
  int len;
  char chars[];
};

上面示例中，struct vstring结构有两个属性。len属性用来记录数组chars的长度，chars属性是一个数组，但是没有给出成员数量。

chars数组到底有多少个成员，可以在为vstring分配内存时确定。

struct vstring* str = malloc(sizeof(struct vstring) + n * sizeof(char));
str->len = n;

上面示例中，假定chars数组的成员数量是n，只有在运行时才能知道n到底是多少。然后，就为struct vstring分配它需要的内存：它本身占用的内存长度，再加上n个数组成员占用的内存长度。最后，len属性记录一下n是多少。

这样就可以让数组chars有n个成员，不用事先确定，可以跟运行时的需要保持一致。

弹性数组成员有一些专门的规则。首先，弹性成员的数组，必须是 struct 结构的最后一个属性。另外，除了弹性数组成员，struct 结构必须至少还有一个其他属性。

typedef 命令

简介

typedef命令用来为某个类型起别名。

typedef type name;

上面代码中，type代表类型名，name代表别名。

typedef unsigned char BYTE;

BYTE c = 'z';

上面示例中，typedef命令为类型unsign char起别名BYTE，然后就可以使用BYTE声明变量。

typedef 可以一次指定多个别名。

typedef int antelope, bagel, mushroom;

上面示例中，一次性为int类型起了三个别名。

typedef 可以为指针起别名。

typedef int* intptr;

int a = 10;
intptr x = &a;

上面示例中，intptr是int*的别名。不过，使用的时候要小心，这样不容易看出来，变量x是一个指针类型。

typedef 也可以用来为数组类型起别名。

typedef int five_ints[5];

five_ints x = {11, 22, 33, 44, 55};

上面示例中，five_ints是一个数组类型，包含5个整数的

typedef 为函数起别名的写法如下。

typedef signed char (*fp)(void);

上面示例中，类型别名fp是一个指针，代表函数signed char (*)(void)。

主要好处

typedef为类型起别名的好处，主要有下面几点。

（1）更好的代码可读性。

typedef char* STRING;

STRING name;

上面示例为字符指针起别名为STRING，以后使用STRING声明变量时，就可以轻易辨别该变量是字符串。

（2）为 struct、union、enum 等命令定义的复杂数据结构创建别名，从而便于引用。

struct treenode {
  // ...
};

typedef struct treenode* Tree;

上面示例中，Tree为struct treenode*的别名。

typedef 也可以与 struct 定义数据类型的命令写在一起。

typedef struct animal {
  char* name;
  int leg_count, speed;
} animal;

上面示例中，自定义数据类型时，同时使用typedef命令，为struct animal起了一个别名animal。

这种情况下，C 语言允许省略 struct 命令后面的类型名。

typedef struct {
  char *name;
  int leg_count, speed;
} animal;

上面示例相当于为一个匿名的数据类型起了别名animal。

（3）typedef 方便以后为变量改类型。

typedef float app_float;

app_float f1, f2, f3;

上面示例中，变量f1、f2、f3的类型都是float。如果以后需要为它们改类型，只需要修改typedef语句即可。

typedef long double app_float;

上面命令将变量f1、f2、f3的类型都改为long double。

（4）可移植性

某一个值在不同计算机上的类型，可能是不一样的。

int i = 100000;

上面代码在32位整数的计算机没有问题，但是在16位整数的计算机就会出错。

C 语言的解决办法，就是提供了类型别名，在不同计算机上会解释成不同类型，比如int32_t。

int32_t i = 100000;

上面示例将变量i声明成int32_t类型，保证它在不同计算机上都是32位宽度，移植代码时就不会出错。

这一类的类型别名都是用 typedef 定义的。下面是类似的例子。

typedef long int ptrdiff_t;
typedef unsigned long int size_t;
typedef int wchar_t;

这些整数类型别名都放在头文件stdint.h，不同架构的计算机只需修改这个头文件即可，而无需修改代码。

因此，typedef有助于提高代码的可移植性，使其能适配不同架构的计算机。

（5）简化类型声明

C 语言有些类型声明相当复杂，比如下面这个。

char (*(*x(void))[5])(void);

typedef 可以简化复杂的类型声明，使其更容易理解。首先，最外面一层起一个类型别名。

typedef char (*Func)(void);
Func (*x(void))[5];

这个看起来还是有点复杂，就为里面一层也定义一个别名。

typedef char (*Func)(void);
typedef Func Arr[5];
Arr* x(void);

上面代码就比较容易解读了。

• x是一个函数，返回一个指向 Arr 类型的指针。
• Arr是一个数组，有5个成员，每个成员是Func类型。
• Func是一个函数指针，指向一个无参数、返回字符值的函数。

Union 结构

有时需要一种数据结构，不同的场合表示不同的数据类型。比如，如果只用一种数据结构表示水果的“量”，这种结构就需要有时是整数（6个苹果），有时是浮点数（1.5公斤草莓）。

C 语言提供了 Union 结构，用来自定义可以灵活变更的数据结构。它内部包含各种属性，但是所有属性共用一块内存，导致这些属性都是对同一个二进制数据的解读，其中往往只有一个属性的解读是有意义的。并且，后面写入的属性会覆盖前面的属性，这意味着同一块内存，可以先供某一个属性使用，然后再供另一个属性使用。这样做的最大好处是节省内存空间。

union quantity {
  short count;
  float weight;
  float volume;
};

上面示例中，union命令定义了一个包含三个属性的数据类型quantity。虽然包含三个属性，但是只能写入一个值，三个属性都是对这个值的不同解读。最后赋值的属性，往往就是可以取到有意义的值的那个属性。

使用时，声明一个该类型的变量。

// 写法一
union quantity q;
q.count = 4;

// 写法二
union quantity q = {.count=4};

// 写法三
union quantity q = {4};

上面代码展示了为 Union 结构赋值的三种写法。最后一种写法不指定属性名，就会赋值给第一个属性。

执行完上面的代码以后，q.count可以取到值，另外两个属性取不到值。

printf("count is %i\n", q.count); // count is 4
printf("weight is %f\n", q.weight); // 未定义行为

如果要让q.weight属性可以取到值，就要先为它赋值。

q.weight = 0.5;
printf("weight is %f\n", q.weight); // weight is 0.5

一旦为其他属性赋值，原先可以取到值的q.count属性就跟着改变，使用它可能就没有意义了。除了这一点，Union 结构的其他用法与 Struct 结构，基本上是一致的。

Union 结构也支持指针运算符->。

union quantity {
  short count;
  float weight;
  float volume;
};

union quantity q;
q.count = 4;

union quantity* ptr;
ptr = &q;

printf("%d\n", ptr->count); // 4

上面示例中，ptr是q的指针，那么ptr->count等同于q.count。

Union 结构指针与它的属性有关，当前正在按照哪个属性解读数据，它的指针就是对应的数据类型。

union foo {
  int a;
  float b;
} x;

int* foo_int_p = (int *)&x;
float* foo_float_p = (float *)&x;

x.a = 12;
printf("%d\n", x.a);           // 12
printf("%d\n", *foo_int_p);    // 12

x.b = 3.141592;
printf("%f\n", x.b);           // 3.141592
printf("%f\n", *foo_float_p);  // 3.141592

上面示例中，&x是 foo 结构的指针，它的数据类型完全由当前赋值的属性决定。

typedef 命令可以为 Union 数据类型起别名。

typedef union {
  short count;
  float weight;
  float volume;
} quantity;

上面示例中，union命令定义了一个包含三个属性的数据类型，typedef命令为它起别名为quantity。

Union 结构的好处，主要是节省空间。它将一段内存空间，重用于不同类型的数据。定义了三个属性，但同一时间只用到一个，使用 Union 结构就可以节省另外两个属性的空间。Union 结构占用的内存长度，等于它内部最长属性的长度。

Enum 类型

如果一种数据类型的取值只有少数几种可能，并且每种取值都有自己的含义，为了提高代码的可读性，可以将它们定义为 Enum 类型，中文名为枚举。

enum colors {RED, GREEN, BLUE};

printf("%d\n", RED); // 0
printf("%d\n", GREEN);  // 1
printf("%d\n", BLUE);  // 2

上面示例中，假定程序里面需要三种颜色，就可以使用enum命令，把这三种颜色定义成一种枚举类型colors，它只有三种取值可能RED、GREEN、BLUE。这时，这三个名字自动成为整数常量，编译器默认将它们的值设为数字0、1、2。相比之下，RED要比0的可读性好了许多。

注意，Enum 内部的常量名，遵守标识符的命名规范，但是通常都使用大写。

使用时，可以将变量声明为 Enum 类型。

enum colors color;

上面代码将变量color声明为enum colors类型。这个变量的值就是常量RED、GREEN、BLUE之中的一个。

color = BLUE;
printf("%i\n", color); // 2

上面代码将变量color的值设为BLUE，这里BLUE就是一个常量，值等于2。

typedef 命令可以为 Enum 类型起别名。

typedef enum {
  SHEEP,
  WHEAT,
  WOOD,
  BRICK,
  ORE
} RESOURCE;

RESOURCE r;

上面示例中，RESOURCE是 Enum 类型的别名。声明变量时，使用这个别名即可。

还有一种不常见的写法，就是声明 Enum 类型时，在同一行里面为变量赋值。

enum {
  SHEEP,
  WHEAT,
  WOOD,
  BRICK,
  ORE
} r = BRICK, s = WOOD;

上面示例中，r的值是3，s的值是2。

由于 Enum 的属性会自动声明为常量，所以有时候使用 Enum 的目的，不是为了自定义一种数据类型，而是为了声明一组常量。这时就可以使用下面这种写法，比较简单。

enum { ONE, TWO };

printf("%d %d", ONE, TWO);  // 0 1

上面示例中，enum是一个关键字，后面跟着一个代码块，常量就在代码内声明。ONE和TWO就是两个 Enum 常量。

常量之间使用逗号分隔。最后一个常量后面的尾逗号，可以省略，也可以保留。

enum { ONE, TWO, };

由于Enum 会自动编号，因此可以不必为常量赋值。C 语言会自动从0开始递增，为常量赋值。但是，C 语言也允许为 ENUM 常量指定值，不过只能指定为整数，不能是其他类型。因此，任何可以使用整数的场合，都可以使用 Enum 常量。

enum { ONE = 1, TWO = 2 };

printf("%d %d", ONE, TWO);  // 1 2

Enum 常量可以是不连续的值。

enum { X = 2, Y = 18, Z = -2 };

Enum 常量也可以是同一个值。

enum { X = 2, Y = 2, Z = 2 };

如果一组常量之中，有些指定了值，有些没有指定。那么，没有指定值的常量会从上一个指定了值的常量，开始自动递增赋值。

enum {
  A,    // 0
  B,    // 1
  C = 4,  // 4
  D,    // 5
  E,    // 6
  F = 3,   // 3
  G,    // 4
  H     // 5
};

Enum 的作用域与变量相同。如果是在顶层声明，那么在整个文件内都有效；如果是在代码块内部声明，则只对该代码块有效。如果与使用int声明的常量相比，Enum 的好处是更清晰地表示代码意图。

预处理器（Preprocessor）

简介

C 语言编译器在编译程序之前，会先使用预处理器（preprocessor）处理代码。

预处理器首先会清理代码，进行删除注释、多行语句合成一个逻辑行等工作。然后，执行#开头的预处理指令。本章介绍 C 语言的预处理指令。

预处理指令可以出现在程序的任何地方，但是习惯上，往往放在代码的开头部分。

每个预处理指令都以#开头，放在一行的行首，指令前面可以有空白字符（比如空格或制表符）。#和指令的其余部分之间也可以有空格，但是为了兼容老的编译器，一般不留空格。

所有预处理指令都是一行的，除非在行尾使用反斜杠，将其折行。指令结尾处不需要分号。

#define

#define是最常见的预处理指令，用来将指定的词替换成另一个词。它的参数分成两个部分，第一个参数就是要被替换的部分，其余参数是替换后的内容。每条替换规则，称为一个宏（macro）。

#define MAX 100

上面示例中，#define指定将源码里面的MAX，全部替换成100。MAX就称为一个宏。

宏的名称不允许有空格，而且必须遵守 C 语言的变量命名规则，只能使用字母、数字与下划线（_），且首字符不能是数字。

宏是原样替换，指定什么内容，就一模一样替换成什么内容。

#define HELLO "Hello, world"

// 相当于 printf("%s", "Hello, world");
printf("%s", HELLO);

上面示例中，宏HELLO会被原样替换成"Hello, world"。

#define指令可以出现在源码文件的任何地方，从指令出现的地方到文件末尾都有效。习惯上，会将#define放在源码文件的头部。它的主要好处是，会使得程序的可读性更好，也更容易修改。

#define指令从#开始，一直到换行符为止。如果整条指令过长，可以在折行处使用反斜杠，延续到下一行。

#define OW "C programming language is invented \
in 1970s."

上面示例中，第一行结尾的反斜杠将#define指令拆成两行。

#define允许多重替换，即一个宏可以包含另一个宏。

#define TWO 2
#define FOUR TWO*TWO

上面示例中，FOUR会被替换成2*2。

注意，如果宏出现在字符串里面（即出现在双引号中），或者是其他标识符的一部分，就会失效，并不会发生替换。

#define TWO 2

// 输出 TWO
printf("TWO\n");

// 输出 22
const TWOs = 22;
printf("%d\n", TWOs);

上面示例中，双引号里面的TWO，以及标识符TWOs，都不会被替换。

同名的宏可以重复定义，只要定义是相同的，就没有问题。如果定义不同，就会报错。

// 正确
#define FOO hello
#define FOO hello

// 报错
#define BAR hello
#define BAR world

上面示例中，宏FOO没有变化，所以可以重复定义，宏BAR发生了变化，就报错了。

带参数的宏

基本用法

宏的强大之处在于，它的名称后面可以使用括号，指定接受一个或多个参数。

#define SQUARE(X) X*X

上面示例中，宏SQUARE可以接受一个参数X，替换成X*X。

注意，宏的名称与左边圆括号之间，不能有空格。

这个宏的用法如下。

// 替换成 z = 2*2;
z = SQUARE(2);

这种写法很像函数，但又不是函数，而是完全原样的替换，会跟函数有不一样的行为。

#define SQUARE(X) X*X

// 输出19
printf("%d\n", SQUARE(3 + 4));

上面示例中，SQUARE(3 + 4)如果是函数，输出的应该是49（7*7）；宏是原样替换，所以替换成3 + 4*3 + 4，最后输出19。

可以看到，原样替换可能导致意料之外的行为。解决办法就是在定义宏的时候，尽量多使用圆括号，这样可以避免很多意外。

#define SQUARE(X) ((X) * (X))

上面示例中，SQUARE(X)替换后的形式，有两层圆括号，就可以避免很多错误的发生。

宏的参数也可以是空的。

#define getchar() getc(stdin)

上面示例中，宏getchar()的参数就是空的。这种情况其实可以省略圆括号，但是加上了，会让它看上去更像函数。

一般来说，带参数的宏都是一行的。下面是两个例子。

#define MAX(x, y) ((x)>(y)?(x):(y))
#define IS_EVEN(n) ((n)%2==0)

如果宏的长度过长，可以使用反斜杠（\）折行，将宏写成多行。

#define PRINT_NUMS_TO_PRODUCT(a, b) { \
  int product = (a) * (b); \
  for (int i = 0; i < product; i++) { \
    printf("%d\n", i); \
  } \
}

上面示例中，替换文本放在大括号里面，这是为了创造一个块作用域，避免宏内部的变量污染外部。

带参数的宏也可以嵌套，一个宏里面包含另一个宏。

#define QUADP(a, b, c) ((-(b) + sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#define QUADM(a, b, c) ((-(b) - sqrt((b) * (b) - 4 * (a) * (c))) / (2 * (a)))
#define QUAD(a, b, c) QUADP(a, b, c), QUADM(a, b, c)

上面示例是一元二次方程组求解的宏，由于存在正负两个解，所以宏QUAD先替换成另外两个宏QUADP和QUADM，后者再各自替换成一个解。

那么，什么时候使用带参数的宏，什么时候使用函数呢？

一般来说，应该首先使用函数，它的功能更强、更容易理解。宏有时候会产生意想不到的替换结果，而且往往只能写成一行，除非对换行符进行转义，但是可读性就变得很差。

宏的优点是相对简单，本质上是字符串替换，不涉及数据类型，不像函数必须定义数据类型。而且，宏将每一处都替换成实际的代码，省掉了函数调用的开销，所以性能会好一些。另外，以前的代码大量使用宏，尤其是简单的数学运算，为了读懂前人的代码，需要对它有所了解。

#运算符，##运算符

由于宏不涉及数据类型，所以替换以后可能为各种类型的值。如果希望替换后的值为字符串，可以在替换文本的参数前面加上#。

#define STR(x) #x

// 等同于 printf("%s\n", "3.14159");
printf("%s\n", STR(3.14159));

上面示例中，STR(3.14159)会被替换成3.14159。如果x前面没有#，这会被解释成一个浮点数，有了#以后，就会被转换成字符串。

下面是另一个例子。

#define XNAME(n) "x"#n

// 输出 x4
printf("%s\n", XNAME(4));

上面示例中，#n指定参数输出为字符串，再跟前面的字符串结合，最终输出为"x4"。如果不加#，这里实现起来就很麻烦了。

如果替换后的文本里面，参数需要跟其他标识符连在一起，组成一个新的标识符，可以使用##运算符。它起到粘合作用，将参数“嵌入”一个标识符之中。

#define MK_ID(n) i##n

上面示例中，n是宏MK_ID的参数，这个参数需要跟标识符i粘合在一起，这时i和n之间就要使用##运算符。下面是这个宏的用法示例。

int MK_ID(1), MK_ID(2), MK_ID(3);
// 替换成
int i1, i2, i3;

上面示例中，替换后的文本i1、i2、i3是三个标识符，参数n是标识符的一部分。从这个例子可以看到，##运算符的一个主要用途是批量生成变量名和标识符。

不定参数的宏

宏的参数还可以是不定数量的（即不确定有多少个参数），...表示剩余的参数。

#define X(a, b, ...) (10*(a) + 20*(b)), __VA_ARGS__

上面示例中，X(a, b, ...)表示X()至少有两个参数，多余的参数使用...表示。在替换文本中，__VA_ARGS__代表多余的参数（每个参数之间使用逗号分隔）。下面是用法示例。

X(5, 4, 3.14, "Hi!", 12)
// 替换成
(10*(5) + 20*(4)), 3.14, "Hi!", 12

注意，...只能替代宏的尾部参数，不能写成下面这样。

// 报错
#define WRONG(X, ..., Y) #X #__VA_ARGS__ #Y

上面示例中，...替代中间部分的参数，这是不允许的，会报错。

__VA_ARGS__前面加上一个#号，可以让输出变成一个字符串。

#define X(...) #__VA_ARGS__

printf("%s\n", X(1,2,3));  // Prints "1, 2, 3"

#undef

#undef指令用来取消已经使用#define定义的宏。

#define LIMIT 400
#undef LIMIT

上面示例的undef指令取消已经定义的宏LIMIT，后面就可以重新用 LIMIT 定义一个宏。

有时候想重新定义一个宏，但不确定是否以前定义过，就可以先用#undef取消，然后再定义。因为同名的宏如果两次定义不一样，会报错，而#undef的参数如果是不存在的宏，并不会报错。

GCC 的-U选项可以在命令行取消宏的定义，相当于#undef。

$ gcc -ULIMIT foo.c

上面示例中的-U参数，取消了宏LIMIT，相当于源文件里面的#undef LIMIT。

#include

#include指令用于编译时将其他源码文件，加载进入当前文件。它有两种形式。

// 形式一
#include <foo.h> // 加载系统提供的文件

// 形式二
#include "foo.h" // 加载用户提供的文件

形式一，文件名写在尖括号里面，表示该文件是系统提供的，通常是标准库的库文件，不需要写路径。因为编译器会到系统指定的安装目录里面，去寻找这些文件。

形式二，文件名写在双引号里面，表示该文件由用户提供，具体的路径取决于编译器的设置，可能是当前目录，也可能是项目的工作目录。如果所要包含的文件在其他位置，就需要指定路径，下面是一个例子。

#include "/usr/local/lib/foo.h"

GCC 编译器的-I参数，也可以用来指定include命令中用户文件的加载路径。

$ gcc -Iinclude/ -o code code.c

上面命令中，-Iinclude/指定从当前目录的include子目录里面，加载用户自己的文件。

#include最常见的用途，就是用来加载包含函数原型的头文件（后缀名为.h），参见《多文件编译》一章。多个#include指令的顺序无关紧要，多次包含同一个头文件也是合法的。

#if…#endif

#if...#endif指令用于预处理器的条件判断，满足条件时，内部的行会被编译，否则就被编译器忽略。

#if 0
  const double pi = 3.1415; // 不会执行
#endif

上面示例中，#if后面的0，表示判断条件不成立。所以，内部的变量定义语句会被编译器忽略。#if 0这种写法常用来当作注释使用，不需要的代码就放在#if 0里面。

#if后面的判断条件，通常是一个表达式。如果表达式的值不等于0，就表示判断条件为真，编译内部的语句；如果表达式的值等于0，表示判断条件为伪，则忽略内部的语句。

#if...#endif之间还可以加入#else指令，用于指定判断条件不成立时，需要编译的语句。

#define FOO 1

#if FOO
  printf("defined\n");
#else
  printf("not defined\n");
#endif

上面示例中，宏FOO如果定义过，会被替换成1，从而输出defined，否则输出not defined。

如果有多个判断条件，还可以加入#elif命令。

#if HAPPY_FACTOR == 0
  printf("I'm not happy!\n");
#elif HAPPY_FACTOR == 1
  printf("I'm just regular\n");
#else
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

上面示例中，通过#elif指定了第二重判断。注意，#elif的位置必须在#else之前。如果多个判断条件皆不满足，则执行#else的部分。

没有定义过的宏，等同于0。因此如果UNDEFINED是一个没有定义过的宏，那么#if UNDEFINED为伪，而#if !UNDEFINED为真。

#if的常见应用就是打开（或关闭）调试模式。

#define DEBUG 1

#if DEBUG
printf("value of i : %d\n", i);
printf("value of j : %d\n", j);
#endif

上面示例中，通过将DEBUG设为1，就打开了调试模式，可以输出调试信息。

GCC 的-D参数可以在编译时指定宏的值，因此可以很方便地打开调试开关。

$ gcc -DDEBUG=1 foo.c

上面示例中，-D参数指定宏DEBUG为1，相当于在代码中指定#define DEBUG 1。

#ifdef…#endif

#ifdef...#endif指令用于判断某个宏是否定义过。

有时源码文件可能会重复加载某个库，为了避免这种情况，可以在库文件里使用#define定义一个空的宏。通过这个宏，判断库文件是否被加载了。

#define EXTRA_HAPPY

上面示例中，EXTRA_HAPPY就是一个空的宏。

然后，源码文件使用#ifdef...#endif检查这个宏是否定义过。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

上面示例中，#ifdef检查宏EXTRA_HAPPY是否定义过。如果已经存在，表示加载过库文件，就会打印一行提示。

#ifdef可以与#else指令配合使用。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#else
  printf("I'm just regular\n");
#endif

上面示例中，如果宏EXTRA_HAPPY没有定义过，就会执行#else的部分。

#ifdef...#else...#endif可以用来实现条件加载。

#ifdef MAVIS
  #include "foo.h"
  #define STABLES 1
#else
  #include "bar.h"
  #define STABLES 2
#endif

上面示例中，通过判断宏MAVIS是否定义过，实现加载不同的头文件。

defined 运算符

上一节的#ifdef指令，等同于#if defined。

#ifdef FOO
// 等同于
#if defined FOO

上面示例中，defined是一个预处理运算符，如果它的参数是一个定义过的宏，就会返回1，否则返回0。

使用这种语法，可以完成多重判断。

#if defined FOO
  x = 2;
#elif defined BAR
  x = 3;
#endif

这个运算符的一个应用，就是对于不同架构的系统，加载不同的头文件。

#if defined IBMPC
  #include "ibmpc.h"
#elif defined MAC
  #include "mac.h"
#else
  #include "general.h"
#endif

上面示例中，不同架构的系统需要定义对应的宏。代码根据不同的宏，加载对应的头文件。

#ifndef…#endif

#ifndef...#endif指令跟#ifdef...#endif正好相反。它用来判断，如果某个宏没有被定义过，则执行指定的操作。

#ifdef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm extra happy!\n");
#endif

#ifndef EXTRA_HAPPY
  printf("I'm just regular\n");
#endif

上面示例中，针对宏EXTRA_HAPPY是否被定义过，#ifdef和#ifndef分别指定了两种情况各自需要编译的代码。

#ifndef常用于防止重复加载。举例来说，为了防止头文件myheader.h被重复加载，可以把它放在#ifndef...#endif里面加载。

#ifndef MYHEADER_H
  #define MYHEADER_H
  #include "myheader.h"
#endif

上面示例中，宏MYHEADER_H对应文件名myheader.h的大写。只要#ifndef发现这个宏没有被定义过，就说明该头文件没有加载过，从而加载内部的代码，并会定义宏MYHEADER_H，防止被再次加载。

#ifndef等同于#if !defined。

#ifndef FOO
// 等同于
#if !defined FOO

预定义宏

C 语言提供一些预定义的宏，可以直接使用。

• __DATE__：编译日期，格式为“Mmm dd yyyy”的字符串（比如 Nov 23 2021）。
• __TIME__：编译时间，格式为“hh:mm:ss”。
• __FILE__：当前文件名。
• __LINE__：当前行号。
• __func__：当前正在执行的函数名。该预定义宏必须在函数作用域使用。
• __STDC__：如果被设为1，表示当前编译器遵循 C 标准。
• __STDC_HOSTED__：如果被设为1，表示当前编译器可以提供完整的标准库；否则被设为0（嵌入式系统的标准库常常是不完整的）。
• __STDC_VERSION__：编译所使用的 C 语言版本，是一个格式为yyyymmL的长整数，C99 版本为“199901L”，C11 版本为“201112L”，C17 版本为“201710L”。

下面示例打印这些预定义宏的值。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("This function: %s\n", __func__);
  printf("This file: %s\n", __FILE__);
  printf("This line: %d\n", __LINE__);
  printf("Compiled on: %s %s\n", __DATE__, __TIME__);
  printf("C Version: %ld\n", __STDC_VERSION__);
}

/* 输出如下

This function: main
This file: test.c
This line: 7
Compiled on: Mar 29 2021 19:19:37
C Version: 201710

*/

#line

#line指令用于覆盖预定义宏__LINE__，将其改为自定义的行号。后面的行将从__LINE__的新值开始计数。

// 将下一行的行号重置为 300
#line 300

上面示例中，紧跟在#line 300后面一行的行号，将被改成300，其后的行会在300的基础上递增编号。

#line还可以改掉预定义宏__FILE__，将其改为自定义的文件名。

#line 300 "newfilename"

上面示例中，下一行的行号重置为300，文件名重置为newfilename。

#error

#error指令用于让预处理器抛出一个错误，终止编译。

#if __STDC_VERSION__ != 201112L
  #error Not C11
#endif

上面示例指定，如果编译器不使用 C11 标准，就中止编译。GCC 编译器会像下面这样报错。

$ gcc -std=c99 newish.c
newish.c:14:2: error: #error Not C11

上面示例中，GCC 使用 C99 标准编译，就报错了。

#if INT_MAX < 100000
  #error int type is too small
#endif

上面示例中，编译器一旦发现INT类型的最大值小于100,000，就会停止编译。

#error指令也可以用在#if...#elif...#else的部分。

#if defined WIN32
  // ...
#elif defined MAC_OS
  // ...
#elif defined LINUX
  // ...
#else
  #error NOT support the operating system
#endif

#pragma

#pragma指令用来修改编译器属性。

// 使用 C99 标准
#pragma c9x on

上面示例让编译器以 C99 标准进行编译。

I/O 函数

C 语言提供了一些函数，用于与外部设备通信，称为输入输出函数，简称 I/O 函数。输入（import）指的是获取外部数据，输出（export）指的是向外部传递数据。

缓存和字节流

严格地说，输入输出函数并不是直接与外部设备通信，而是通过缓存（buffer）进行间接通信。这个小节介绍缓存是什么。

普通文件一般都保存在磁盘上面，跟 CPU 相比，磁盘读取或写入数据是一个很慢的操作。所以，程序直接读写磁盘是不可行的，可能每执行一行命令，都必须等半天。C 语言的解决方案，就是只要打开一个文件，就在内存里面为这个文件设置一个缓存区。

程序向文件写入数据时，程序先把数据放入缓存，等到缓存满了，再把里面的数据会一次性写入磁盘文件。这时，缓存区就空了，程序再把新的数据放入缓存，重复整个过程。

程序从文件读取数据时，文件先把一部分数据放到缓存里面，然后程序从缓存获取数据，等到缓存空了，磁盘文件再把新的数据放入缓存，重复整个过程。

内存的读写速度比磁盘快得多，缓存的设计减少了读写磁盘的次数，大大提高了程序的执行效率。另外，一次性移动大块数据，要比多次移动小块数据快得多。

这种读写模式，对于程序来说，就有点像水流（stream），不是一次性读取或写入所有数据，而是一个持续不断的过程。先操作一部分数据，等到缓存吞吐完这部分数据，再操作下一部分数据。这个过程就叫做字节流操作。

由于缓存读完就空了，所以字节流读取都是只能读一次，第二次就读不到了。这跟读取文件很不一样。

C 语言的输入输出函数，凡是涉及读写文件，都是属于字节流操作。输入函数从文件获取数据，操作的是输入流；输出函数向文件写入数据，操作的是输出流。

printf()

printf()是最常用的输出函数，用于屏幕输出，原型定义在头文件stdio.h，详见《基本语法》一章。

scanf()

基本用法

scanf()函数用于读取用户的键盘输入。程序运行到这个语句时，会停下来，等待用户从键盘输入。用户输入数据、按下回车键后，scanf()就会处理用户的输入，将其存入变量。它的原型定义在头文件stdio.h。

scanf()的语法跟printf()类似。

scanf("%d", &i);

它的第一个参数是一个格式字符串，里面会放置占位符（与printf()的占位符基本一致），告诉编译器如何解读用户的输入，需要提取的数据是什么类型。这是因为 C 语言的数据都是有类型的，scanf()必须提前知道用户输入的数据类型，才能处理数据。它的其余参数就是存放用户输入的变量，格式字符串里面有多少个占位符，就有多少个变量。

上面示例中，scanf()的第一个参数%d，表示用户输入的应该是一个整数。%d就是一个占位符，%是占位符的标志，d表示整数。第二个参数&i表示，将用户从键盘输入的整数存入变量i。

注意，变量前面必须加上&运算符（指针变量除外），因为scanf()传递的不是值，而是地址，即将变量i的地址指向用户输入的值。如果这里的变量是指针变量（比如字符串变量），那就不用加&运算符。

下面是一次将键盘输入读入多个变量的例子。

scanf("%d%d%f%f", &i, &j, &x, &y);

上面示例中，格式字符串%d%d%f%f，表示用户输入的前两个是整数，后两个是浮点数，比如1 -20 3.4 -4.0e3。这四个值依次放入i、j、x、y四个变量。

scanf()处理数值占位符时，会自动过滤空白字符，包括空格、制表符、换行符等。所以，用户输入的数据之间，有一个或多个空格不影响scanf()解读数据。另外，用户使用回车键，将输入分成几行，也不影响解读。

1
-20
3.4
-4.0e3

上面示例中，用户分成四行输入，得到的结果与一行输入是完全一样的。每次按下回车键以后，scanf()就会开始解读，如果第一行匹配第一个占位符，那么下次按下回车键时，就会从第二个占位符开始解读。

scanf()处理用户输入的原理是，用户的输入先放入缓存，等到按下回车键后，按照占位符对缓存进行解读。解读用户输入时，会从上一次解读遗留的第一个字符开始，直到读完缓存，或者遇到第一个不符合条件的字符为止。

int x;
float y;

// 用户输入 "    -13.45e12# 0"
scanf("%d", &x);
scanf("%f", &y);

上面示例中，scanf()读取用户输入时，%d占位符会忽略起首的空格，从-处开始获取数据，读取到-13停下来，因为后面的.不属于整数的有效字符。这就是说，占位符%d会读到-13。

第二次调用scanf()时，就会从上一次停止解读的地方，继续往下读取。这一次读取的首字符是.，由于对应的占位符是%f，会读取到.45e12，这是采用科学计数法的浮点数格式。后面的#不属于浮点数的有效字符，所以会停在这里。

由于scanf()可以连续处理多个占位符，所以上面的例子也可以写成下面这样。

scanf("%d%f", &x, &y);

scanf()的返回值是一个整数，表示成功读取的变量个数。如果没有读取任何项，或者匹配失败，则返回0。如果读取到文件结尾，则返回常量 EOF。

占位符

scanf()常用的占位符如下，与printf()的占位符基本一致。

• %c：字符。
• %d：整数。
• %f：float类型浮点数。
• %lf：double类型浮点数。
• %Lf：long double类型浮点数。
• %s：字符串。
• %[]：在方括号中指定一组匹配的字符（比如%[0-9]），遇到不在集合之中的字符，匹配将会停止。

上面所有占位符之中，除了%c以外，都会自动忽略起首的空白字符。%c不忽略空白字符，总是返回当前第一个字符，无论该字符是否为空格。如果要强制跳过字符前的空白字符，可以写成scanf(" %c", &ch)，即%c前加上一个空格，表示跳过零个或多个空白字符。

下面要特别说一下占位符%s，它其实不能简单地等同于字符串。它的规则是，从当前第一个非空白字符开始读起，直到遇到空白字符（即空格、换行符、制表符等）为止。因为%s不会包含空白字符，所以无法用来读取多个单词，除非多个%s一起使用。这也意味着，scanf()不适合读取可能包含空格的字符串，比如书名或歌曲名。另外，scanf()遇到%s占位符，会在字符串变量末尾存储一个空字符\0。

scanf()将字符串读入字符数组时，不会检测字符串是否超过了数组长度。所以，储存字符串时，很可能会超过数组的边界，导致预想不到的结果。为了防止这种情况，使用%s占位符时，应该指定读入字符串的最长长度，即写成%[m]s，其中的[m]是一个整数，表示读取字符串的最大长度，后面的字符将被丢弃。

char name[11];
scanf("%10s", name);

上面示例中，name是一个长度为11的字符数组，scanf()的占位符%10s表示最多读取用户输入的10个字符，后面的字符将被丢弃，这样就不会有数组溢出的风险了。

赋值忽略符

有时，用户的输入可能不符合预定的格式。

scanf("%d-%d-%d", &year, &month, &day);

上面示例中，如果用户输入2020-01-01，就会正确解读出年、月、日。问题是用户可能输入其他格式，比如2020/01/01，这种情况下，scanf()解析数据就会失败。

为了避免这种情况，scanf()提供了一个赋值忽略符（assignment suppression character）*。只要把*加在任何占位符的百分号后面，该占位符就不会返回值，解析后将被丢弃。

scanf("%d%*c%d%*c%d", &year, &month, &day);

上面示例中，%*c就是在占位符的百分号后面，加入了赋值忽略符*，表示这个占位符没有对应的变量，解读后不必返回。

sscanf()

sscanf()函数与scanf()很类似，不同之处是sscanf()从字符串里面，而不是从用户输入获取数据。它的原型定义在头文件stdio.h里面。

int sscanf(const char* s, const char* format, ...);

sscanf()的第一个参数是一个字符串指针，用来从其中获取数据。其他参数都与scanf()相同。

sscanf()主要用来处理其他输入函数读入的字符串，从其中提取数据。

fgets(str, sizeof(str), stdin);
sscanf(str, "%d%d", &i, &j);

上面示例中，fgets()先从标准输入获取了一行数据（fgets()的介绍详见下一章），存入字符数组str。然后，sscanf()再从字符串str里面提取两个整数，放入变量i和j。

sscanf()的一个好处是，它的数据来源不是流数据，所以可以反复使用，不像scanf()的数据来源是流数据，只能读取一次。

sscanf()的返回值是成功赋值的变量的数量，如果提取失败，返回常量 EOF。

getchar()，putchar()

（1）getchar()

getchar()函数返回用户从键盘输入的一个字符，使用时不带有任何参数。程序运行到这个命令就会暂停，等待用户从键盘输入，等同于使用scanf()方法读取一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h。

char ch;
ch = getchar();

// 等同于
scanf("%c", &ch);

getchar()不会忽略起首的空白字符，总是返回当前读取的第一个字符，无论是否为空格。如果读取失败，返回常量 EOF，由于 EOF 通常是-1，所以返回值的类型要设为 int，而不是 char。

由于getchar()返回读取的字符，所以可以用在循环条件之中。

while (getchar() != '\n')
  ;

上面示例中，只有读到的字符等于换行符（\n），才会退出循环，常用来跳过某行。while循环的循环体没有任何语句，表示对该行不执行任何操作。

下面的例子是计算某一行的字符长度。

int len = 0;
while(getchar() != '\n')
  len++;

上面示例中，getchar()每读取一个字符，长度变量len就会加1，直到读取到换行符为止，这时len就是该行的字符长度。

下面的例子是跳过空格字符。

while ((ch = getchar()) == ' ')
  ;

上面示例中，结束循环后，变量ch等于第一个非空格字符。

（2）putchar()

putchar()函数将它的参数字符输出到屏幕，等同于使用printf()输出一个字符。它的原型定义在头文件stdio.h。

putchar(ch);
// 等同于
printf("%c", ch);

操作成功时，putchar()返回输出的字符，否则返回常量 EOF。

（3）小结

由于getchar()和putchar()这两个函数的用法，要比scanf()和printf()更简单，而且通常是用宏来实现，所以要比scanf()和printf()更快。如果操作单个字符，建议优先使用这两个函数。

puts()

puts()函数用于将参数字符串显示在屏幕（stdout）上，并且自动在字符串末尾添加换行符。它的原型定义在头文件stdio.h。

puts("Here are some messages:");
puts("Hello World");

上面示例中，puts()在屏幕上输出两行内容。

写入成功时，puts()返回一个非负整数，否则返回常量 EOF。

gets()

gets()函数以前用于从stdin读取整行输入，现在已经被废除了，仍然放在这里介绍一下。

该函数读取用户的一行输入，不会跳过起始处的空白字符，直到遇到换行符为止。这个函数会丢弃换行符，将其余字符放入参数变量，并在这些字符的末尾添加一个空字符\0，使其成为一个字符串。

它经常与puts()配合使用。

char words[81];

puts("Enter a string, please");
gets(words);

上面示例使用puts()在屏幕上输出提示，然后使用gets()获取用户的输入。

由于gets()获取的字符串，可能超过字符数组变量的最大长度，有安全风险，建议不要使用，改为使用fgets()。

文件操作

本章介绍 C 语言如何操作文件。

文件指针

C 语言提供了一个 FILE 数据结构，记录了操作一个文件所需要的信息。该结构定义在头文件stdio.h，所有文件操作函数都要通过这个数据结构，获取文件信息。

开始操作一个文件之前，就要定义一个指向该文件的 FILE 指针，相当于获取一块内存区域，用来保存文件信息。

FILE* fp;

上面示例定义了一个 FILE 指针fp。

下面是一个读取文件的完整示例。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  FILE* fp;
  char c;

  fp = fopen("hello.txt", "r");
  if (fp == NULL) {
    return -1;
  }

  c = fgetc(fp);
  printf("%c\n", c);

  fclose(fp);

  return 0;
}

上面示例中，新建文件指针fp以后，依次使用了下面三个文件操作函数，分成三个步骤。其他的文件操作，大致上也是这样的步骤。

第一步，使用fopen()打开指定文件，返回一个 File 指针。如果出错，返回 NULL。

它相当于将指定文件的信息与新建的文件指针fp相关联，在 FILE 结构内部记录了这样一些信息：文件内部的当前读写位置、读写报错的记录、文件结尾指示器、缓冲区开始位置的指针、文件标识符、一个计数器（统计拷贝进缓冲区的字节数）等等。后继的操作就可以使用这个指针（而不是文件名）来处理指定文件。

同时，它还为文件建立一个缓存区。由于存在缓存区，也可以说fopen()函数“打开一个了流”，后继的读写文件都是流模式。

第二步，使用读写函数，从文件读取数据，或者向文件写入数据。上例使用了fgetc()函数，从已经打开的文件里面，读取一个字符。

fgetc()一调用，文件的数据块先拷贝到缓冲区。不同的计算机有不同的缓冲区大小，一般是512字节或是它的倍数，如4096或16384。随着计算机硬盘容量越来越大，缓冲区也越来越大。

fgetc()从缓冲区读取数据，同时将文件指针内部的读写位置指示器，指向所读取字符的下一个字符。所有的文件读取函数都使用相同的缓冲区，后面再调用任何一个读取函数，都将从指示器指向的位置，即上一次读取函数停止的位置开始读取。

当读取函数发现已读完缓冲区里面的所有字符时，会请求把下一个缓冲区大小的数据块，从文件拷贝到缓冲区中。读取函数就以这种方式，读完文件的所有内容，直到文件结尾。不过，上例是只从缓存区读取一个字符。当函数在缓冲区里面，读完文件的最后一个字符时，就把 FILE 结构里面的文件结尾指示器设置为真。于是，下一次再调用读取函数时，会返回常量 EOF。EOF 是一个整数值，代表文件结尾，一般是-1。

第三步，fclose()关闭文件，同时清空缓存区。

上面是文件读取的过程，文件写入也是类似的方式，先把数据写入缓冲区，当缓冲区填满后，缓存区的数据将被转移到文件中。

fopen()

fopen()函数用来打开文件。所有文件操作的第一步，都是使用fopen()打开指定文件。这个函数的原型定义在头文件stdio.h。

FILE* fopen(char* filename, char* mode);

它接受两个参数。第一个参数是文件名(可以包含路径)，第二个参数是模式字符串，指定对文件执行的操作，比如下面的例子中，r表示以读取模式打开文件。

fp = fopen("in.dat", "r");

成功打开文件以后，fopen()返回一个 FILE 指针，其他函数可以用这个指针操作文件。如果无法打开文件（比如文件不存在或没有权限），会返回空指针 NULL。所以，执行fopen()以后，最好判断一下，有没有打开成功。

fp = fopen("hello.txt", "r");

if (fp == NULL) {
  printf("Can't open file!\n");
  exit(EXIT_FAILURE);
}

上面示例中，如果fopen()返回一个空指针，程序就会报错。

fopen()的模式字符串有以下几种。

• r：读模式，只用来读取数据。如果文件不存在，返回 NULL 指针。
• w：写模式，只用来写入数据。如果文件存在，文件长度会被截为0，然后再写入；如果文件不存在，则创建该文件。
• a：写模式，只用来在文件尾部追加数据。如果文件不存在，则创建该文件。
• r+：读写模式。如果文件存在，指针指向文件开始处，可以在文件头部添加数据。如果文件不存在，返回 NULL 指针。
• w+：读写模式。如果文件存在，文件长度会被截为0，然后再写入数据。这种模式实际上读不到数据，反而会擦掉数据。如果文件不存在，则创建该文件。
• a+：读写模式。如果文件存在，指针指向文件结尾，可以在现有文件末尾添加内容。如果文件不存在，则创建该文件。

上一小节说过，fopen()函数会为打开的文件创建一个缓冲区。读模式下，创建的是读缓存区；写模式下，创建的是写缓存区；读写模式下，会同时创建两个缓冲区。C 语言通过缓存区，以流的形式，向文件读写数据。

数据在文件里面，都是以二进制形式存储。但是，读取的时候，有不同的解读方法：以原本的二进制形式解读，叫做“二进制流”；将二进制数据转成文本，以文本形式解读，叫做“文本流”。写入操作也是如此，分成以二进制写入和以文本写入，后者会多一个文本转二进制的步骤。

fopen()的模式字符串，默认是以文本流读写。如果添加b后缀（表示 binary），就会以“二进制流”进行读写。比如，rb是读取二进制数据模式，wb是写入二进制数据模式。

模式字符串还有一个x后缀，表示独占模式（exclusive）。如果文件已经存在，则打开文件失败；如果文件不存在，则新建文件，打开后不再允许其他程序或线程访问当前文件。比如，wx表示以独占模式写入文件，如果文件已经存在，就会打开失败。

标准流

Linux 系统默认提供三个已经打开的文件，它们的文件指针如下。

• stdin（标准输入）：默认来源为键盘，文件指针编号为0。
• stdout（标准输出）：默认目的地为显示器，文件指针编号为1。
• stderr（标准错误）：默认目的地为显示器，文件指针编号为2。

Linux 系统的文件，不一定是数据文件，也可以是设备文件，即文件代表一个可以读或写的设备。文件指针stdin默认是把键盘看作一个文件，读取这个文件，就能获取用户的键盘输入。同理，stdout和stderr默认是把显示器看作一个文件，将程序的运行结果写入这个文件，用户就能看到运行结果了。它们的区别是，stdout写入的是程序的正常运行结果，stderr写入的是程序的报错信息。

这三个输入和输出渠道，是 Linux 默认提供的，所以分别称为标准输入（stdin）、标准输出（stdout）和标准错误（stderr）。因为它们的实现是一样的，都是文件流，所以合称为“标准流”。

Linux 允许改变这三个文件指针（文件流）指向的文件，这称为重定向（redirection）。

如果标准输入不绑定键盘，而是绑定其他文件，可以在文件名前面加上小于号<，跟在程序名后面。这叫做“输入重定向”（input redirection）。

$ demo < in.dat

上面示例中，demo程序代码里面的stdin，将指向文件in.dat，即从in.dat获取数据。

如果标准输出绑定其他文件，而不是显示器，可以在文件名前加上大于号>，跟在程序名后面。这叫做“输出重定向”（output redirection）。

$ demo > out.dat

上面示例中，demo程序代码里面的stdout，将指向文件out.dat，即向out.dat写入数据。

输出重定向>会先擦去out.dat的所有原有的内容，然后再写入。如果希望写入的信息追加在out.dat的结尾，可以使用>>符号。

$ demo >> out.dat

上面示例中，demo程序代码里面的stdout，将向文件out.dat写入数据。与>不同的是，写入的开始位置是out.dat的文件结尾。

标准错误的重定向符号是2>。其中的2代表文件指针的编号，即2>表示将2号文件指针的写入，重定向到err.txt。2号文件指针就是标准错误stderr。

$ demo > out.dat 2> err.txt

上面示例中，demo程序代码里面的stderr，会向文件err.txt写入报错信息。而stdout向文件out.dat写入。

输入重定向和输出重定向，也可以结合在一条命令里面。

$ demo < in.dat > out.dat

// or
$ demo > out.dat < in.dat

重定向还有另一种情况，就是将一个程序的标准输出stdout，指向另一个程序的标准输入stdin，这时要使用|符号。

$ random | sum

上面示例中，random程序代码里面的stdout的写入，会从sum程序代码里面的stdin被读取。

fclose()

fclose()用来关闭已经使用fopen()打开的文件。它的原型定义在stdio.h。

int fclose(FILE* stream);

它接受一个文件指针fp作为参数。如果成功关闭文件，fclose()函数返回整数0；如果操作失败（比如磁盘已满，或者出现 I/O 错误），则返回一个特殊值 EOF（详见下一小节）。

if (fclose(fp) != 0)
  printf("Something wrong.");

不再使用的文件，都应该使用fclose()关闭，否则无法释放资源。一般来说，系统对同时打开的文件数量有限制，及时关闭文件可以避免超过这个限制。

EOF

C 语言的文件操作函数的设计是，如果遇到文件结尾，就返回一个特殊值。程序接收到这个特殊值，就知道已经到达文件结尾了。

头文件stdio.h为这个特殊值定义了一个宏EOF（end of file 的缩写），它的值一般是-1。这是因为从文件读取的二进制值，不管作为无符号数字解释，还是作为 ASCII 码解释，都不可能是负值，所以可以很安全地返回-1，不会跟文件本身的数据相冲突。

需要注意的是，不像字符串结尾真的存储了\0这个值，EOF并不存储在文件结尾，文件中并不存在这个值，完全是文件操作函数发现到达了文件结尾，而返回这个值。

freopen()

freopen()用于新打开一个文件，直接关联到某个已经打开的文件指针。这样可以复用文件指针。它的原型定义在头文件stdio.h。

FILE* freopen(char* filename, char* mode, FILE* stream);

它跟fopen()相比，就是多出了第三个参数，表示要复用的文件指针。其他两个参数都一样，分别是文件名和打开模式。

freopen("output.txt", "w", stdout);
printf("hello");

上面示例将文件output.txt关联到stdout，此后向stdout写入的内容，都会写入output.txt。由于printf()默认就是输出到stdout，所以运行上面的代码以后，文件output.txt会被写入hello。

freopen()的返回值是它的第三个参数（文件指针）。如果打开失败（比如文件不存在），会返回空指针 NULL。

freopen()会自动关闭原先已经打开的文件，如果文件指针并没有指向已经打开的文件，则freopen()等同于fopen()。

下面是freopen()关联scanf()的例子。

int i, i2;

scanf("%d", &i); 

freopen("someints.txt", "r", stdin);
scanf("%d", &i2);

上面例子中，一共调用了两次scanf()，第一次调用是从键盘读取，然后使用freopen()将stdin指针关联到某个文件，第二次调用就会从该文件读取。

某些系统允许使用freopen()，改变文件的打开模式。这时，freopen()的第一个参数应该是 NULL。

freopen(NULL, "wb", stdout);

上面示例将stdout的打开模式从w改成了wb。

fgetc()，getc()

fgetc()和getc()用于从文件读取一个字符。它们的用法跟getchar()类似，区别是getchar()只用来从stdin读取，而这两个函数是从任意指定的文件读取。它们的原型定义在头文件stdio.h。

int fgetc(FILE *stream)
int getc(FILE *stream);

fgetc()与getc()的用法是一样的，都只有文件指针一个参数。两者的区别是，getc()一般用宏来实现，而fgetc()是函数实现，所以前者的性能可能更好一些。注意，虽然这两个函数返回的是一个字符，但是它们的返回值类型却不是char，而是int，这是因为读取失败的情况下，它们会返回 EOF，这个值一般是-1。

#include <stdio.h>

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

  int c;
  while ((c = getc(fp)) != EOF)
    printf("%c", c);

  fclose(fp);
}

上面示例中，getc()依次读取文件的每个字符，将其放入变量c，直到读到文件结尾，返回 EOF，循环终止。变量c的类型是int，而不是char，因为有可能等于负值，所以设为int更好一些。

fputc()，putc()

fputc()和putc()用于向文件写入一个字符。它们的用法跟putchar()类似，区别是putchar()是向stdout写入，而这两个函数是向文件写入。它们的原型定义在头文件stdio.h。

int fputc(int char, FILE *stream);
int putc(int char, FILE *stream);

fputc()与putc()的用法是一样，都接受两个参数，第一个参数是待写入的字符，第二个参数是文件指针。它们的区别是，putc()通常是使用宏来实现，而fputc()只作为函数来实现，所以理论上，putc()的性能会好一点。

写入成功时，它们返回写入的字符；写入失败时，返回 EOF。

fprintf()

fprintf()用于向文件写入格式化字符串，用法与printf()类似。区别是printf()总是写入stdout，而fprintf()则是写入指定的文件，它的第一个参数必须是一个文件指针。它的原型定义在头文件stdio.h。

int fprintf(FILE* stream, const char* format, ...)

fprintf()可以替代printf()。

printf("Hello, world!\n");
fprintf(stdout, "Hello, world!\n");

上面例子中，指定fprintf()写入stdout，结果就等同于调用printf()。

fprintf(fp, "Sum: %d\n", sum);

上面示例是向文件指针fp写入指定格式的字符串。

下面是向stderr输出错误信息的例子。

fprintf(stderr, "Something number.\n");

fscanf()

fscanf()用于按照给定的模式，从文件中读取内容，用法跟scanf()类似。区别是scanf()总是从stdin读取数据，而fscanf()是从文件读入数据，它的原型定义在头文件stdio.h，第一个参数必须是文件指针。

int fscanf(FILE* stream, const char* format, ...);

下面是一个例子。

fscanf(fp, "%d%d", &i, &j);

上面示例中，fscanf()从文件fp里面，读取两个整数，放入变量i和j。

使用fscanf()的前提是知道文件的结构，它的占位符解析规则与scanf()完全一致。由于fscanf()可以连续读取，直到读到文件尾，或者发生错误（读取失败、匹配失败），才会停止读取，所以fscanf()通常放在循环里面。

while(fscanf(fp, "%s", words) == 1)
  puts(words);

上面示例中，fscanf()依次读取文件的每个词，将它们一行打印一个，直到文件结束。

fscanf()的返回值是赋值成功的变量数量，如果赋值失败会返回 EOF。

fgets()

fgets()用于从文件读取指定长度的字符串，它名字的第一个字符是f，就代表file。它的原型定义在头文件stdio.h。

char* fgets(char* str, int STRLEN, File* fp);

它的第一个参数str是一个字符串指针，用于存放读取的内容。第二个参数STRLEN指定读取的长度，第三个参数是一个 FILE 指针，指向要读取的文件。

fgets()读取 STRLEN - 1 个字符之后，或者遇到换行符与文件结尾，就会停止读取，然后在已经读取的内容末尾添加一个空字符\0，使之成为一个字符串。注意，fgets()会将换行符（\n）存储进字符串。

如果fgets的第三个参数是stdin，就可以读取标准输入，等同于scanf()。

fgets(str, sizeof(str), stdin);

读取成功时，fgets()的返回值是它的第一个参数，即指向字符串的指针，否则返回空指针 NULL。

fgets()可以用来读取文件的每一行，下面是读取文件所有行的例子。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  FILE* fp;
  char s[1024];  // 数组必须足够大，足以放下一行
  int linecount = 0;

  fp = fopen("hello.txt", "r");

  while (fgets(s, sizeof s, fp) != NULL)
    printf("%d: %s", ++linecount, s);

  fclose(fp);
}

上面示例中，每读取一行，都会输出行号和该行的内容。

下面的例子是循环读取用户的输入。

char words[10];

puts("Enter strings (q to quit):");

while (fgets(words, 10, stdin) != NULL) {
  if (words[0] == 'q' && words[1] == '\n')
    break;

  puts(words);
}

puts("Done.");

上面的示例中，如果用户输入的字符串大于9个字符，fgets()会多次读取。直到遇到q + 回车键，才会退出循环。

fputs()

fputs()函数用于向文件写入字符串，和puts()函数只有一点不同，那就是它不会在字符串末尾添加换行符。这是因为fgets()保留了换行符，所以fputs()就不添加了。fputs()函数通常与fgets()配对使用。

它的原型定义在stdio.h。

int fputs(const char* str, FILE* stream);

它接受两个参数，第一个参数是字符串指针，第二个参数是要写入的文件指针。如果第二个参数为stdout（标准输出），就是将内容输出到计算机屏幕，等同于printf()。

char words[14];

puts("Enter a string, please.");
fgets(words, 14, stdin);

puts("This is your string:");
fputs(words, stdout);

上面示例中，先用fgets()从stdin读取用户输入，然后用fputs()输出到stdout。

写入成功时，fputs()返回一个非负整数，否则返回 EOF。

fwrite()

fwrite()用来一次性写入较大的数据块，主要用途是将数组数据一次性写入文件，适合写入二进制数据。它的原型定义在stdio.h。

size_t fwrite(
  const void* ptr,
  size_t size,
  size_t nmemb,
  FILE* fp
);

它接受四个参数。

• ptr：数组指针。
• size：每个数组成员的大小，单位字节。
• nmemb：数组成员的数量。
• fp：要写入的文件指针。

注意，fwrite()原型的第一个参数类型是void*，这是一个无类型指针，编译器会自动将参数指针转成void*类型。正是由于fwrite()不知道数组成员的类型，所以才需要知道每个成员的大小（第二个参数）和成员数量（第三个参数）。

fwrite()函数的返回值是成功写入的数组成员的数量（注意不是字节数）。正常情况下，该返回值就是第三个参数nmemb，但如果出现写入错误，只写入了一部分成员，返回值会比nmemb小。

要将整个数组arr写入文件，可以采用下面的写法。

fwrite(
  arr,
  sizeof(arr[0]),
  sizeof(arr) / sizeof(arr[0]),
  fp
);

上面示例中，sizeof(a[0])是每个数组成员占用的字节，sizeof(a) / sizeof(a[0])是整个数组的成员数量。

下面的例子是将一个大小为256字节的字符串写入文件。

char buffer[256];

fwrite(buffer, 1, 256, fp);

上面示例中，数组buffer每个成员是1个字节，一共有256个成员。由于fwrite()是连续内存复制，所以写成fwrite(buffer, 256, 1, fp)也能达到目的。

fwrite()没有规定一定要写入整个数组，只写入数组的一部分也是可以的。

任何类型的数据都可以看成是1字节数据组成的数组，或者是一个成员的数组，所以fwrite()实际上可以写入任何类型的数据，而不仅仅是数组。比如，fwrite()可以将一个 Struct 结构写入文件保存。

fwrite(&s, sizeof(s), 1, fp);

上面示例中，s是一个 Struct 结构指针，可以看成是一个成员的数组。注意，如果s的属性包含指针，存储时需要小心，因为保存指针可能没意义，还原出来的时候，并不能保证指针指向的数据还存在。

fwrite()以及后面要介绍的fread()，比较适合读写二进制数据，因为它们不会对写入的数据进行解读。二进制数据可能包含空字符\0，这是 C 语言的字符串结尾标记，所以读写二进制文件，不适合使用文本读写函数（比如fprintf()等）。

下面是一个写入二进制文件的例子。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  FILE* fp;
  unsigned char bytes[] = {5, 37, 0, 88, 255, 12};

  fp = fopen("output.bin", "wb");
  fwrite(bytes, sizeof(char), sizeof(bytes), fp);
  fclose(fp);
  return 0;
}

上面示例中，写入二进制文件时，fopen()要使用wb模式打开，表示二进制写入。fwrite()可以把数据解释成单字节数组，因此它的第二个参数是sizeof(char)，第三个参数是数组的总字节数sizeof(bytes)。

上面例子写入的文件output.bin，使用十六进制编辑器打开，会是下面的内容。

05 25 00 58 ff 0c

fwrite()还可以连续向一个文件写入数据。

struct clientData myClient = {1, 'foo bar'};

for (int i = 1; i <= 100; i++) {
  fwrite(&myClient, sizeof(struct clientData), 1, cfPtr);
}

上面示例中，fwrite()连续将100条数据写入文件。

fread()

fread()函数用于一次性从文件读取较大的数据块，主要用途是将文件内容读入一个数组，适合读取二进制数据。它的原型定义在头文件stdio.h。

size_t fread(
  void* ptr,
  size_t size,
  size_t nmemb,
  FILE* fp
);

它接受四个参数，与fwrite()完全相同。

• ptr：数组地址。
• size：每个数组成员的大小，单位为字节。
• nmemb：数组的成员数量。
• fp：文件指针。

要将文件内容读入数组arr，可以采用下面的写法。

fread(
  arr,
  sizeof(arr[0]),
  sizeof(arr) / sizeof(arr[0]),
  fp
);

上面示例中，数组长度（第二个参数）和每个成员的大小（第三个参数）的乘积，就是数组占用的内存空间的大小。fread()会从文件（第四个参数）里面读取相同大小的内容，然后将ptr（第一个参数）指向这些内容的内存地址。

下面的例子是将文件内容读入一个10个成员的双精度浮点数数组。

double earnings[10];
fread(earnings, sizeof(double), 10, fp);

上面示例中，每个数组成员的大小是sizeof(double)，一个有10个成员，就会从文件fp读取sizeof(double) * 10大小的内容。

fread()函数的返回值是成功读取的数组成员的数量。正常情况下，该返回值就是第三个参数nmemb，但如果出现读取错误或读到文件结尾，该返回值就会比nmemb小。所以，检查fread()的返回值是非常重要的。

fread()和fwrite()可以配合使用。在程序终止之前，使用fwrite()将数据保存进文件，下次运行时再用fread()将数据还原进入内存。

下面是读取上一节生成的二进制文件output.bin的例子。

#include <stdio.h>

int main(void) {
  FILE* fp;
  unsigned char c;

  fp = fopen("output.bin", "rb");
  while (fread(&c, sizeof(char), 1, fp) > 0)
    printf("%d\n", c);
  return 0;
}

运行后，得到如下结果。

5
37
0
88
255
12

feof()

feof()函数判断文件的内部指针是否指向文件结尾。它的原型定义在头文件stdio.h。

int feof(FILE *fp);

feof()接受一个文件指针作为参数。如果已经到达文件结尾，会返回一个非零值（表示 true），否则返回0（表示 false）。

诸如fgetc()这样的文件读取函数，如果返回 EOF，有两种可能，一种可能是已读取到文件结尾，另一种可能是出现读取错误。feof()可以用来判断到底是那一种情况。

下面是通过feof()判断是否到达文件结尾，从而循环读取整个文件的例子。

int num;
char name[50];

FILE* cfPtr = fopen("clients.txt", "r");

while (!feof(cfPtr)) {
  fscanf(cfPtr, "%d%s\n", &num, name);
  printf("%d %s\n", num, name);
}

fclose(cfPtr);

上面示例通过循环判断feof()是否读到文件结尾，从而实现读出整个文件内容。

feof()为真时，可以通过fseek()、rewind()、fsetpos()函数改变文件内部读写位置的指示器，从而清除这个函数的状态。

fseek()

每个文件指针都有一个内部指示器（内部指针），记录当前打开的文件的读写位置（file position），即下一次读写从哪里开始。文件操作函数（比如getc()、fgets()、fscanf()和fread()等）都从这个指示器指定的位置开始按顺序读写文件。

如果希望改变这个指示器，将它移到文件的指定位置，可以使用fseek()函数。它的原型定义在头文件stdio.h。

int fseek(FILE* stream, long int offset, int whence);

fseek()接受3个参数。

• stream：文件指针。
• offset：距离基准（第三个参数）的字节数。类型为 long int，可以为正值（向文件末尾移动）、负值（向文件开始处移动）或 0（保持不动）。
• whence：位置基准，用来确定计算起点。它的值是以下三个宏（定义在stdio.h）：SEEK_SET（文件开始处）、SEEK_CUR（内部指针的当前位置）、SEEK_END（文件末尾）

请看下面的例子。

// 定位到文件开始处
fseek(fp, 0L, SEEK_SET);

// 定位到文件末尾
fseek(fp, 0L, SEEK_END);

// 从当前位置后移2个字节
fseek(fp, 2L, SEEK_CUR);

// 定位到文件第10个字节
fseek(fp, 10L, SEEK_SET);

// 定位到文件倒数第10个字节
fseek(fp, -10L, SEEK_END);

上面示例中，fseek()的第二个参数为 long 类型，所以移动距离必须加上后缀L，将其转为 long 类型。

下面的示例逆向输出文件的所有字节。

for (count = 1L; count <= size; count++) {
  fseek(fp, -count, SEEK_END);
  ch = getc(fp);
}

注意，fseek()最好只用来操作二进制文件，不要用来读取文本文件。因为文本文件的字符有不同的编码，某个位置的准确字节位置不容易确定。

正常情况下，fseek()的返回值为0。如果发生错误（如移动的距离超出文件的范围），返回值为非零值（比如-1)。

ftell()

ftell()函数返回文件内部指示器的当前位置。它的原型定义在头文件stdio.h。

long int ftell(FILE* stream);

它接受一个文件指针作为参数。返回值是一个 long 类型的整数，表示内部指示器的当前位置，即文件开始处到当前位置的字节数，0表示文件开始处。如果发生错误，ftell()返回-1L。

ftell()可以跟fseek()配合使用，先记录内部指针的位置，一系列操作过后，再用fseek()返回原来的位置。

long file_pos = ftell(fp);

// 一系列文件操作之后
fseek(fp, file_pos, SEEK_SET);

下面的例子先将指示器定位到文件结尾，然后得到文件开始处到结尾的字节数。

fseek(fp, 0L, SEEK_END);
size = ftell(fp);

rewind()

rewind()函数可以让文件的内部指示器回到文件开始处。它的原型定义在stdio.h。

void rewind(file* stream);

它接受一个文件指针作为参数。

rewind(fp)基本等价于fseek(fp, 0l, seek_set)，唯一的区别是rewind()没有返回值，而且会清除当前文件的错误指示器。

fgetpos()，fsetpos()

fseek()和ftell()有一个潜在的问题，那就是它们都把文件大小限制在 long int 类型能表示的范围内。这看起来相当大，但是在32位计算机上，long int 的长度为4个字节，能够表示的范围最大为 4GB。随着存储设备的容量迅猛增长，文件也越来越大，往往会超出这个范围。鉴于此，C 语言新增了两个处理大文件的新定位函数：fgetpos()和fsetpos()。

它们的原型都定义在头文件stdio.h。

int fgetpos(FILE* stream, fpos_t* pos);
int fsetpos(FILE* stream, const fpos_t* pos);

fgetpos()函数会将文件内部指示器的当前位置，存储在指针变量pos。该函数接受两个参数，第一个是文件指针，第二个存储指示器位置的变量。

fsetpos()函数会将文件内部指示器的位置，移动到指针变量pos指定的地址。注意，变量pos必须是通过调用fgetpos()方法获得的。fsetpos()的两个参数与fgetpos()必须是一样的。

记录文件内部指示器位置的指针变量pos，类型为fpos_t*（file position type 的缩写，意为文件定位类型）。它不一定是整数，也可能是一个 Struct 结构。

下面是用法示例。

fpos_t file_pos;
fgetpos(fp, &file_pos);

// 一系列文件操作之后
fsetpos(fp, &file_pos);

上面示例中，先用fgetpos()获取内部指针的位置，后面再用fsetpos()恢复指针的位置。

执行成功时，fgetpos()和fsetpos()都会返回0，否则返回非零值。

ferror()，clearerr()

所有的文件操作函数如果执行失败，都会在文件指针里面记录错误状态。后面的操作只要读取错误指示器，就知道前面的操作出错了。

ferror()函数用来返回错误指示器的状态。可以通过这个函数，判断前面的文件操作是否成功。它的原型定义在头文件stdio.h。

int ferror(FILE *stream);

它接受一个文件指针作为参数。如果前面的操作出现错误，ferror()就会返回一个非零整数（表示 true），否则返回0。

clearerr()函数用来重置出错指示器。它的原型定义在头文件stdio.h。

void clearerr(FILE* fp);

它接受一个文件指针作为参数，没有返回值。

下面是一个例子。

FILE* fp = fopen("file.txt", "w");
char c = fgetc(fp);

if (ferror(fp)) {
  printf("读取文件：file.txt 时发生错误\n");
}

clearerr(fp);

上面示例中，fgetc()尝试读取一个以”写模式“打开的文件，读取失败就会返回 EOF。这时调用ferror()就可以知道上一步操作出错了。处理完以后，再用clearerr()清除出错状态。

文件操作函数如果正常执行，ferror()和feof()都会返回零。如果执行不正常，就要判断到底是哪里出了问题。

if (fscanf(fp, "%d", &n) != 1) {
  if (ferror(fp)) {
    printf("io error\n");
  }
  if (feof(fp)) {
    printf("end of file\n");
  }

  clearerr(fp);

  fclose(fp);
}

上面示例中，当fscanf()函数报错时，通过检查ferror()和feof()，确定到底发生什么问题。这两个指示器改变状态后，会保持不变，所以要用clearerr()清除它们，clearerr()可以同时清除两个指示器。

remove()

remove()函数用于删除指定文件。它的原型定义在头文件stdio.h。

int remove(const char* filename);

它接受文件名作为参数。如果删除成功，remove()返回0，否则返回非零值。

remove("foo.txt");

上面示例删除了foo.txt文件。

注意，删除文件必须是在文件关闭的状态下。如果是用fopen()打开的文件，必须先用fclose()关闭后再删除。

rename()

rename()函数用于文件改名，也用于移动文件。它的原型定义在头文件stdio.h。

int rename(const char* old_filename, const char* new_filename);

它接受两个参数，第一个参数是现在的文件名，第二个参数是新的文件名。如果改名成功，rename()返回0，否则返回非零值。

rename("foo.txt", "bar.txt");

上面示例将foo.txt改名为bar.txt。

注意，改名后的文件不能与现有文件同名。另外，如果要改名的文件已经打开了，必须先关闭，然后再改名，对打开的文件进行改名会失败。

下面是移动文件的例子。

rename("/tmp/evidence.txt", "/home/beej/nothing.txt");

变量说明符

C 语言允许声明变量的时候，加上一些特定的说明符（specifier），为编译器提供变量行为的额外信息。它的主要作用是帮助编译器优化代码，有时会对程序行为产生影响。

const

const说明符表示变量是只读的，不得被修改。

const double PI = 3.14159;
PI = 3; // 报错

上面示例里面的const，表示变量PI的值不应改变。如果改变的话，编译器会报错。

对于数组，const表示数组成员不能修改。

const int arr[] = {1, 2, 3, 4};
arr[0] = 5; // 报错

上面示例中，const使得数组arr的成员无法修改。

对于指针变量，const有两种写法，含义是不一样的。如果const在*前面，表示指针指向的值不可修改。

// const 表示指向的值 *x 不能修改
int const * x
// 或者
const int * x

下面示例中，对x指向的值进行修改导致报错。

int p = 1
const int* x = &p;

(*x)++; // 报错

如果const在*后面，表示指针包含的地址不可修改。

// const 表示地址 x 不能修改
int* const x

下面示例中，对x进行修改导致报错。

int p = 1
int* const x = &p;

x++; // 报错

这两者可以结合起来。

const char* const x;

上面示例中，指针变量x指向一个字符串。两个const意味着，x包含的内存地址以及x指向的字符串，都不能修改。

const的一个用途，就是防止函数体内修改函数参数。如果某个参数在函数体内不会被修改，可以在函数声明时，对该参数添加const说明符。这样的话，使用这个函数的人看到原型里面的const，就知道调用函数前后，参数数组保持不变。

void find(const int* arr, int n);

上面示例中，函数find的参数数组arr有const说明符，就说明该数组在函数内部将保持不变。

有一种情况需要注意，如果一个指针变量指向const变量，那么该指针变量也不应该被修改。

const int i = 1;
int* j = &i;
*j = 2; // 报错

上面示例中，j是一个指针变量，指向变量i，即j和i指向同一个地址。j本身没有const说明符，但是i有。这种情况下，j指向的值也不能被修改。

static

static说明符对于全局变量和局部变量有不同的含义。

（1）用于局部变量（位于块作用域内部）。

static用于函数内部声明的局部变量时，表示该变量的值会在函数每次执行后得到保留，下次执行时不会进行初始化，就类似于一个只用于函数内部的全局变量。由于不必每次执行函数时，都对该变量进行初始化，这样可以提高函数的执行速度，详见《函数》一章。

（2）用于全局变量（位于块作用域外部）。

static用于函数外部声明的全局变量时，表示该变量只用于当前文件，其他源码文件不可以引用该变量，即该变量不会被链接（link）。

static修饰的变量，初始化时，值不能等于变量，必须是常量。

int n = 10;
static m = n; // 报错

上面示例中，变量m有static修饰，它的值如果等于变量n，就会报错，必须等于常量。

只在当前文件里面使用的函数，也可以声明为static，表明该函数只在当前文件使用，其他文件可以定义同名函数。

static int g(int i);

auto

auto说明符表示该变量的存储，由编译器自主分配内存空间，且只存在于定义时所在的作用域，退出作用域时会自动释放。

由于只要不是extern的变量（外部变量），都是由编译器自主分配内存空间的，这属于默认行为，所以该说明符没有实际作用，一般都省略不写。

auto int a;
// 等同于
int a;

extern

extern说明符表示，该变量在其他文件里面声明，没有必要在当前文件里面为它分配空间。通常用来表示，该变量是多个文件共享的。

extern int a;

上面代码中，a是extern变量，表示该变量在其他文件里面定义和初始化，当前文件不必为它分配存储空间。

但是，变量声明时，同时进行初始化，extern就会无效。

// extern 无效
extern int i = 0;

// 等同于
int i = 0;

上面代码中，extern对变量初始化的声明是无效的。这是为了防止多个extern对同一个变量进行多次初始化。

函数内部使用extern声明变量，就相当于该变量是静态存储，每次执行时都要从外部获取它的值。

函数本身默认是extern，即该函数可以被外部文件共享，通常省略extern不写。如果只希望函数在当前文件可用，那就需要在函数前面加上static。

extern int f(int i);
// 等同于
int f(int i);

register

register说明符向编译器表示，该变量是经常使用的，应该提供最快的读取速度，所以应该放进寄存器。但是，编译器可以忽略这个说明符，不一定按照这个指示行事。

register int a;

上面示例中，register提示编译器，变量a会经常用到，要为它提供最快的读取速度。

register只对声明在代码块内部的变量有效。

设为register的变量，不能获取它的地址。

register int a;
int *p = &a; // 编译器报错

上面示例中，&a会报错，因为变量a可能放在寄存器里面，无法获取内存地址。

如果数组设为register，也不能获取整个数组或任一个数组成员的地址。

register int a[] = {11, 22, 33, 44, 55};

int p = a;  // 报错
int a = *(a + 2); // 报错

历史上，CPU 内部的缓存，称为寄存器（register）。与内存相比，寄存器的访问速度快得多，所以使用它们可以提高速度。但是它们不在内存之中，所以没有内存地址，这就是为什么不能获取指向它们的指针地址。现代编译器已经有巨大的进步，会尽可能优化代码，按照自己的规则决定怎么利用好寄存器，取得最佳的执行速度，所以可能会忽视代码里面的register说明符，不保证一定会把这些变量放到寄存器。

volatile

volatile说明符表示所声明的变量，可能会预想不到地发生变化（即其他程序可能会更改它的值），不受当前程序控制，因此编译器不要对这类变量进行优化，每次使用时都应该查询一下它的值。硬件设备的编程中，这个说明符很常用。

volatile int foo;
volatile int* bar;

volatile的目的是阻止编译器对变量行为进行优化，请看下面的例子。

int foo = x;
// 其他语句，假设没有改变 x 的值
int bar = x;

上面代码中，由于变量foo和bar都等于x，而且x的值也没有发生变化，所以编译器可能会把x放入缓存，直接从缓存读取值（而不是从 x 的原始内存位置读取），然后对foo和bar进行赋值。如果x被设定为volatile，编译器就不会把它放入缓存，每次都从原始位置去取x的值，因为在两次读取之间，其他程序可能会改变x。

restrict

restrict说明符允许编译器优化某些代码。它只能用于指针，表明该指针是访问数据的唯一方式。

int* restrict pt = (int*) malloc(10 * sizeof(int));

上面示例中，restrict表示变量pt是访问 malloc 所分配内存的唯一方式。

下面例子的变量foo，就不能使用restrict修饰符。

int foo[10];
int* bar = foo;

上面示例中，变量foo指向的内存，可以用foo访问，也可以用bar访问，因此就不能将foo设为 restrict。

如果编译器知道某块内存只能用一个方式访问，可能可以更好地优化代码，因为不用担心其他地方会修改值。

restrict用于函数参数时，表示参数的内存地址之间没有重叠。

void swap(int* restrict a, int* restrict b) {
  int t;
  t = *a;
  *a = *b;
  *b = t;
}

上面示例中，函数参数声明里的restrict表示，参数a和参数b的内存地址没有重叠。

多文件项目

简介

一个软件项目往往包含多个源码文件，编译时需要将这些文件一起编译，生成一个可执行文件。

假定一个项目有两个源码文件foo.c和bar.c，其中foo.c是主文件，bar.c是库文件。所谓“主文件”，就是包含了main()函数的项目入口文件，里面会引用库文件定义的各种函数。

// File foo.c
#include <stdio.h>

int main(void) {
  printf("%d\n", add(2, 3));  // 5!
}

上面代码中，主文件foo.c调用了函数add()，这个函数是在库文件bar.c里面定义的。

// File bar.c

int add(int x, int y) {
  return x + y;
}

现在，将这两个文件一起编译。

$ gcc -o foo foo.c bar.c

# 更省事的写法
$ gcc -o foo *.c

上面命令中，gcc 的-o参数指定生成的二进制可执行文件的文件名，本例是foo。

这个命令运行后，编译器会发出警告，原因是在编译foo.c的过程中，编译器发现一个不认识的函数add()，foo.c里面没有这个函数的原型或者定义。因此，最好修改一下foo.c，在文件头部加入add()的原型。

// File foo.c
#include <stdio.h>

int add(int, int);

int main(void) {
  printf("%d\n", add(2, 3));  // 5!
}

现在再编译就没有警告了。

你可能马上就会想到，如果有多个文件都使用这个函数add()，那么每个文件都需要加入函数原型。一旦需要修改函数add()（比如改变参数的数量），就会非常麻烦，需要每个文件逐一改动。所以，通常的做法是新建一个专门的头文件bar.h，放置所有在bar.c里面定义的函数的原型。

// File bar.h

int add(int, int);

然后使用include命令，在用到这个函数的源码文件里面加载这个头文件bar.h。

// File foo.c

#include <stdio.h>
#include "bar.h"

int main(void) {
  printf("%d\n", add(2, 3));  // 5!
}

上面代码中，#include "bar.h"表示加入头文件bar.h。这个文件没有放在尖括号里面，表示它是用户提供的；它没有写路径，就表示与当前源码文件在同一个目录。

然后，最好在bar.c里面也加载这个头文件，这样可以让编译器验证，函数原型与函数定义是否一致。

// File bar.c
#include "bar.h"

int add(int a, int b) {
  return a + b;
}

现在重新编译，就可以顺利得到二进制可执行文件。

$ gcc -o foo foo.c bar.c

重复加载

头文件里面还可以加载其他头文件，因此有可能产生重复加载。比如，a.h和b.h都加载了c.h，然后foo.c同时加载了a.h和b.h，这意味着foo.c会编译两次c.h。

最好避免这种重复加载，虽然多次定义同一个函数原型并不会报错，但是有些语句重复使用会报错，比如多次重复定义同一个 Struct 数据结构。解决重复加载的常见方法是，在头文件里面设置一个专门的宏，加载时一旦发现这个宏存在，就不再继续加载当前文件了。

// File bar.h
#ifndef BAR_H
  #define BAR_H
  int add(int, int);
#endif

上面示例中，头文件bar.h使用#ifndef和#endif设置了一个条件判断。每当加载这个头文件时，就会执行这个判断，查看有没有设置过宏BAR_H。如果设置过了，表明这个头文件已经加载过了，就不再重复加载了，反之就先设置一下这个宏，然后加载函数原型。

extern 说明符

当前文件还可以使用其他文件定义的变量，这时要使用extern说明符，在当前文件中声明，这个变量是其他文件定义的。

extern int myVar;

上面示例中，extern说明符告诉编译器，变量myvar是其他脚本文件声明的，不需要在这里为它分配内存空间。

由于不需要分配内存空间，所以extern声明数组时，不需要给出数组长度。

extern int a[];

这种共享变量的声明，可以直接写在源码文件里面，也可以放在头文件中，通过#include指令加载。

static 说明符

正常情况下，当前文件内部的全局变量，可以被其他文件使用。有时候，不希望发生这种情况，而是希望某个变量只局限在当前文件内部使用，不要被其他文件引用。

这时可以在声明变量的时候，使用static关键字，使得该变量变成当前文件的私有变量。

static int foo = 3;

上面示例中，变量foo只能在当前文件里面使用，其他文件不能引用。

编译策略

多个源码文件的项目，编译时需要所有文件一起编译。哪怕只是修改了一行，也需要从头编译，非常耗费时间。

为了节省时间，通常的做法是将编译拆分成两个步骤。第一步，使用 GCC 的-c参数，将每个源码文件单独编译为对象文件（object file）。第二步，将所有对象文件链接在一起，合并生成一个二进制可执行文件。

$ gcc -c foo.c # 生成 foo.o
$ gcc -c bar.c # 生成 bar.o

# 更省事的写法
$ gcc -c *.c

上面命令为源码文件foo.c和bar.c，分别生成对象文件foo.o和bar.o。

对象文件不是可执行文件，只是编译过程中的一个阶段性产物，文件名与源码文件相同，但是后缀名变成了.o。

得到所有的对象文件以后，再次使用gcc命令，将它们通过链接，合并生成一个可执行文件。

$ gcc -o foo foo.o bar.o

# 更省事的写法
$ gcc -o foo *.o

以后，修改了哪一个源文件，就将这个文件重新编译成对象文件，其他文件不用重新编译，可以继续使用原来的对象文件，最后再将所有对象文件重新链接一次就可以了。由于链接的耗时大大短于编译，这样做就节省了大量时间。

make 命令

大型项目的编译，如果全部手动完成，是非常麻烦的，容易出错。一般会使用专门的自动化编译工具，比如 make。

make 是一个命令行工具，使用时会自动在当前目录下搜索配置文件 makefile（也可以写成 Makefile）。该文件定义了所有的编译规则，每个编译规则对应一个编译产物。为了得到这个编译产物，它需要知道两件事。

• 依赖项（生成该编译产物，需要用到哪些文件）
• 生成命令（生成该编译产物的命令）

比如，对象文件foo.o是一个编译产物，它的依赖项是foo.c，生成命令是gcc -c foo.c。对应的编译规则如下：

foo.o: foo.c
  gcc -c foo.c

上面示例中，编译规则由两行组成。第一行首先是编译产物，冒号后面是它的依赖项，第二行则是生成命令。

注意，第二行的缩进必须使用 Tab 键，如果使用空格键会报错。

完整的配置文件 makefile 由多个编译规则组成，可能是下面的样子。

foo: foo.o bar.o
  gcc -o foo foo.o bar.o

foo.o: bar.h foo.c
  gcc -c foo.c

bar.o: bar.h bar.c
  gcc -c bar.c

上面是 makefile 的一个示例文件。它包含三个编译规则，对应三个编译产物（foo.o、bar.o和foo），每个编译规则之间使用空行分隔。

有了 makefile，编译时，只要在 make 命令后面指定编译目标（编译产物的名字），就会自动调用对应的编译规则。

$ make foo.o

# or
$ make bar.o

# or
$ make foo

上面示例中，make 命令会根据不同的命令，生成不同的编译产物。

如果省略了编译目标，make命令会执行第一条编译规则，构建相应的产物。

$ make

上面示例中，make后面没有编译目标，所以会执行 makefile 的第一条编译规则，本例是make foo。由于用户期望执行make后得到最终的可执行文件，所以建议总是把最终可执行文件的编译规则，放在 makefile 文件的第一条。makefile 本身对编译规则没有顺序要求。

make 命令的强大之处在于，它不是每次执行命令，都会进行编译，而是会检查是否有必要重新编译。具体方法是，通过检查每个源码文件的时间戳，确定在上次编译之后，哪些文件发生过变动。然后，重新编译那些受到影响的编译产物（即编译产物直接或间接依赖于那些发生变动的源码文件），不受影响的编译产物，就不会重新编译。

举例来说，上次编译之后，修改了foo.c，没有修改bar.c和bar.h。于是，重新运行make foo命令时，Make 就会发现bar.c和bar.h没有变动过，因此不用重新编译bar.o，只需要重新编译foo.o。有了新的foo.o以后，再跟bar.o一起，重新编译成新的可执行文件foo。

Make 这样设计的最大好处，就是自动处理编译过程，只重新编译变动过的文件，因此大大节省了时间。

命令行环境

命令行参数

C 语言程序可以从命令行接收参数。

$ ./foo hello world

上面示例中，程序foo接收了两个命令行参数hello和world。

程序内部怎么拿到命令行参数呢？C 语言会把命令行输入的内容，放在一个数组里面。main()函数的参数可以接收到这个数组。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char* argv[]) {
  for (int i = 0; i < argc; i++) {
    printf("arg %d: %s\n", i, argv[i]);
  }
}

上面示例中，main()函数有两个参数argc（argument count）和argv（argument variable）。这两个参数的名字可以任意取，但是一般来说，约定俗成就是使用这两个词。

第一个参数argc是命令行参数的数量，由于程序名也被计算在内，所以严格地说argc是参数数量 + 1。

第二个参数argv是一个数组，保存了所有的命令行输入，它的每个成员是一个字符串指针。

以./foo hello world为例，argc是3，表示命令行输入有三个组成部分：./foo、hello、world。数组argv用来获取这些输入，argv[0]是程序名./foo，argv[1]是hello，argv[2]是world。一般来说，argv[1]到argv[argc - 1]依次是命令行的所有参数。argv[argc]则是一个空指针 NULL。

由于字符串指针可以看成是字符数组，所以下面两种写法是等价的。

// 写法一
int main(int argc, char* argv[])

// 写法二
int main(int argc, char** argv)

另一方面，每个命令行参数既可以写成数组形式argv[i]，也可以写成指针形式*(argv + i)。

利用argc，可以限定函数只能有多少个参数。

#include <stdio.h>

int main(int argc, char** argv) {
  if (argc != 3) {
     printf("usage: mult x y\n");
     return 1;
  }

  printf("%d\n", atoi(argv[1]) * atoi(argv[2]));
  return 0;
}

上面示例中，argc不等于3就会报错，这样就限定了程序必须有两个参数，才能运行。

另外，argv数组的最后一个成员是 NULL 指针（argv[argc] == NULL）。所以，参数的遍历也可以写成下面这样。

for (char** p = argv; *p != NULL; p++) {
  printf("arg: %s\n", *p);
}

上面示例中，指针p依次移动，指向argv的每个成员，一旦移到空指针 NULL，就表示遍历结束。由于argv的地址是固定的，不能执行自增运算（argv++），所以必须通过一个中间变量p，完成遍历操作。

退出状态

C 语言规定，如果main()函数没有return语句，那么结束运行的时候，默认会添加一句return 0，即返回整数0。这就是为什么main()语句通常约定返回一个整数值，并且返回整数0表示程序运行成功。如果返回非零值，就表示程序运行出了问题。

Bash 的环境变量$?可以用来读取上一个命令的返回值，从而知道是否运行成功。

$ ./foo hello world
$ echo $?
0

上面示例中，echo $?用来打印环境变量$?的值，该值为0，就表示上一条命令运行成功，否则就是运行失败。

注意，只有main()会默认添加return 0，其他函数都没有这个机制。

环境变量

C 语言提供了getenv()函数（原型在stdlib.h）用来读取命令行环境变量。

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

int main(void) {
  char* val = getenv("HOME");

  if (val == NULL) {
    printf("Cannot find the HOME environment variable\n");
    return 1;
  }

  printf("Value: %s\n", val);
  return 0;
}

上面示例中，getenv("HOME")用来获取命令行的环境变量$HOME，如果这个变量为空（NULL），则程序报错返回。

多字节字符

本章介绍 C 语言如何处理非英语字符。

Unicode 简介

C 语言诞生时，只考虑了英语字符，使用7位的 ASCII 码表示所有字符。ASCII 码的范围是0到127，也就是最多只能表示100多个字符，用一个字节就可以表示，所以char类型只占用一个字节。

但是，如果处理非英语字符，一个字节就不够了，单单是中文，就至少有几万个字符，字符集就势必使用多个字节表示。

最初，不同国家有自己的字符编码方式，这样不便于多种字符的混用。因此，后来就逐渐统一到 Unicode 编码，将所有字符放入一个字符集。

Unicode 为每个字符提供一个号码，称为码点（code point），其中0到127的部分，跟 ASCII 码是重合的。通常使用“U+十六进制码点”表示一个字符，比如U+0041表示字母A。

Unicode 编码目前一共包含了100多万个字符，码点范围是 U+0000 到 U+10FFFF。完整表达整个 Unicode 字符集，至少需要三个字节。但是，并不是所有文档都需要那么多字符，比如对于 ASCII 码就够用的英语文档，如果每个字符使用三个字节表示，就会比单字节表示的文件体积大出三倍。

为了适应不同的使用需求，Unicode 标准委员会提供了三种不同的表示方法，表示 Unicode 码点。

• UTF-8：使用1个到4个字节，表示一个码点。不同的字符占用的字节数不一样。
• UTF-16：对于U+0000 到 U+FFFF 的字符（称为基本平面），使用2个字节表示一个码点。其他字符使用4个字节。
• UTF-32：统一使用4个字节，表示一个码点。

其中，UTF-8 的使用最为广泛，因为对于 ASCII 字符（U+0000 到 U+007F），它只使用一个字节表示，这就跟 ASCII 的编码方式完全一样。

C 语言提供了两个宏，表示当前系统支持的编码字节长度。这两个宏都定义在头文件limits.h。

• MB_LEN_MAX：任意支持地区的最大字节长度，定义在limits.h。
• MB_CUR_MAX：当前语言的最大字节长度，总是小于或等于MB_LEN_MAX，定义在stdlib.h。

字符的表示方法

字符表示法的本质，是将每个字符映射为一个整数，然后从编码表获得该整数对应的字符。

C 语言提供了不同的写法，用来表示字符的整数号码。

• \123：以八进制值表示一个字符，斜杠后面需要三个数字。
• \x4D：以十六进制表示一个字符，\x后面是十六进制整数。
• \u2620：以 Unicode 码点表示一个字符（不适用于 ASCII 字符），码点以十六进制表示，\u后面需要4个字符。
• \U0001243F：以 Unicode 码点表示一个字符（不适用于 ASCII 字符），码点以十六进制表示，\U后面需要8个字符。

printf("ABC\n");
printf("\101\102\103\n");
printf("\x41\x42\x43\n");

上面三行都会输出“ABC”。

printf("\u2022 Bullet 1\n");
printf("\U00002022 Bullet 1\n");

上面两行都会输出“• Bullet 1”。

多字节字符的表示

C 语言预设只有基本字符，才能使用字面量表示，其它字符都应该使用码点表示，并且当前系统还必须支持该码点的编码方法。

所谓基本字符，指的是所有可打印的 ASCII 字符，但是有三个字符除外：@、$、`。

因此，遇到非英语字符，应该将其写成 Unicode 码点形式。

char* s = "\u6625\u5929";
printf("%s\n", s); // 春天

上面代码会输出中文“春天”。

如果当前系统是 UTF-8 编码，可以直接用字面量表示多字节字符。

char* s = "春天";
printf("%s\n", s);

注意，\u + 码点和\U + 码点的写法，不能用来表示 ASCII 码字符（码点小于0xA0的字符），只有三个字符除外：0x24（$），0x40（@）和0x60（`）。

char* s = "\u0024\u0040\u0060";
printf("%s\n", s);  // @$`

上面代码会输出三个 Unicode 字符“@$`”，但是其它 ASCII 字符都不能用这种表示法表示。

为了保证程序执行时，字符能够正确解读，最好将程序环境切换到本地化环境。

setlocale(LC_ALL, "");

上面代码中，使用setlocale()切换执行环境到系统的本地化语言。setlocale()的原型定义在头文件locale.h，详见标准库部分的《locale.h》章节。

像下面这样，指定编码语言也可以。

setlocale(LC_ALL, "zh_CN.UTF-8");

上面代码将程序执行环境，切换到中文环境的 UTF-8 编码。

C 语言允许使用u8前缀，对多字节字符串指定编码方式为 UTF-8。

char* s = u8"春天";
printf("%s\n", s);

一旦字符串里面包含多字节字符，就意味着字符串的字节数与字符数不再一一对应了。比如，字符串的长度为10字节，就不再是包含10个字符，而可能只包含7个字符、5个字符等等。

setlocale(LC_ALL, "");

char* s = "春天";
printf("%d\n", strlen(s)); // 6

上面示例中，字符串s只包含两个字符，但是strlen()返回的结果却是6，表示这两个字符一共占据了6个字节。

C 语言的字符串函数只针对单字节字符有效，对于多字节字符都会失效，比如strtok()、strchr()、strspn()、toupper()、tolower()、isalpha()等不会得到正确结果。

宽字符

上一小节的多字节字符串，每个字符的字节宽度是可变的。这种编码方式虽然使用起来方便，但是很不利于字符串处理，因此必须逐一检查每个字符占用的字节数。所以除了这种方式，C 语言还提供了确定宽度的多字节字符存储方式，称为宽字符（wide character）。

所谓“宽字符”，就是每个字符占用的字节数是固定的，要么是2个字节，要么是4个字节。这样的话，就很容易快速处理。

宽字符有一个单独的数据类型 wchar_t，每个宽字符都是这个类型。它属于整数类型的别名，可能是有符号的，也可能是无符号的，由当前实现决定。该类型的长度为16位（2个字节）或32位（4个字节），足以容纳当前系统的所有字符。它定义在头文件wchar.h里面。

宽字符的字面量必须加上前缀“L”，否则 C 语言会把字面量当作窄字符类型处理。

setlocale(LC_ALL, "");

wchar_t c = L'牛'；
printf("%lc\n", c);

wchar_t* s = L"春天";
printf("%ls\n", s);

上面示例中，前缀“L”在单引号前面，表示宽字符，对应printf()的占位符为%lc；在双引号前面，表示宽字符串，对应printf()的占位符为%ls。

宽字符串的结尾也有一个空字符，不过是宽空字符，占用多个字节。

处理宽字符，需要使用宽字符专用的函数，绝大部分都定义在头文件wchar.h。

多字节字符处理函数

mblen()

mblen()函数返回一个多字节字符占用的字节数。它的原型定义在头文件stdlib.h。

int mblen(const char* mbstr, size_t n);

它接受两个参数，第一个参数是多字节字符串指针，一般会检查该字符串的第一个字符；第二个参数是需要检查的字节数，这个数字不能大于当前系统单个字符占用的最大字节，一般使用MB_CUR_MAX。

它的返回值是该字符占用的字节数。如果当前字符是空的宽字符，则返回0；如果当前字符不是有效的多字节字符，则返回-1。

setlocale(LC_ALL, "");

char* mbs1 = "春天";
printf("%d\n", mblen(mbs1, MB_CUR_MAX)); // 3

char* mbs2 = "abc";
printf("%d\n", mblen(mbs2, MB_CUR_MAX)); // 1

上面示例中，字符串“春天”的第一个字符“春”，占用3个字节；字符串“abc”的第一个字符“a”，占用1个字节。

wctomb()

wctomb()函数（wide character to multibyte）用于将宽字符转为多字节字符。它的原型定义在头文件stdlib.h。

int wctomb(char* s, wchar_t wc);

wctomb()接受两个参数，第一个参数是作为目标的多字节字符数组，第二个参数是需要转换的一个宽字符。它的返回值是多字节字符存储占用的字节数量，如果无法转换，则返回-1。

setlocale(LC_ALL, "");

wchar_t wc = L'牛';
char mbStr[10] = "";

int nBytes = 0;
nBytes = wctomb(mbStr, wc);

printf("%s\n", mbStr);  // 牛
printf("%d\n", nBytes);  // 3

上面示例中，wctomb()将宽字符“牛”转为多字节字符，wctomb()的返回值表示转换后的多字节字符占用3个字节。

mbtowc()

mbtowc()用于将多字节字符转为宽字符。它的原型定义在头文件stdlib.h。

int mbtowc(
   wchar_t* wchar,
   const char* mbchar,
   size_t count
);

它接受3个参数，第一个参数是作为目标的宽字符指针，第二个参数是待转换的多字节字符指针，第三个参数是多字节字符的字节数。

它的返回值是多字节字符的字节数，如果转换失败，则返回-1。

setlocale(LC_ALL, "");

char* mbchar = "牛";
wchar_t wc;
wchar_t* pwc = &wc;

int nBytes = 0;
nBytes = mbtowc(pwc, mbchar, 3);

printf("%d\n", nBytes); // 3
printf("%lc\n", *pwc);  // 牛

上面示例中，mbtowc()将多字节字符“牛”转为宽字符wc，返回值是mbchar占用的字节数（占用3个字节）。

wcstombs()

wcstombs()用来将宽字符串转换为多字节字符串。它的原型定义在头文件stdlib.h。

size_t wcstombs(
   char* mbstr,
   const wchar_t* wcstr,
   size_t count
);

它接受三个参数，第一个参数mbstr是目标的多字节字符串指针，第二个参数wcstr是待转换的宽字符串指针，第三个参数count是用来存储多字节字符串的最大字节数。

如果转换成功，它的返回值是成功转换后的多字节字符串的字节数，不包括尾部的字符串终止符；如果转换失败，则返回-1。

下面是一个例子。

setlocale(LC_ALL, "");

char mbs[20];
wchar_t* wcs = L"春天";

int nBytes = 0;
nBytes = wcstombs(mbs, wcs, 20);

printf("%s\n", mbs); // 春天
printf("%d\n", nBytes); // 6

上面示例中，wcstombs()将宽字符串wcs转为多字节字符串mbs，返回值6表示写入mbs的字符串占用6个字节，不包括尾部的字符串终止符。

如果wcstombs()的第一个参数是 NULL，则返回转换成功所需要的目标字符串的字节数。

mbstowcs()

mbstowcs()用来将多字节字符串转换为宽字符串。它的原型定义在头文件stdlib.h。

size_t mbstowcs(
  wchar_t* wcstr,
  const char* mbstr,
  size_t count
);

它接受三个参数，第一个参数wcstr是目标宽字符串，第二个参数mbstr是待转换的多字节字符串，第三个参数是待转换的多字节字符串的最大字符数。

转换成功时，它的返回值是成功转换的多字节字符的数量；转换失败时，返回-1。如果返回值与第三个参数相同，那么转换后的宽字符串不是以 NULL 结尾的。

下面是一个例子。

setlocale(LC_ALL, "");

char* mbs = "天气不错";
wchar_t wcs[20];

int nBytes = 0;
nBytes = mbstowcs(wcs, mbs, 20);

printf("%ls\n", wcs); // 天气不错
printf("%d\n", nBytes); // 4

上面示例中，多字节字符串mbs被mbstowcs()转为宽字符串，成功转换了4个字符，所以该函数的返回值为4。

如果mbstowcs()的第一个参数为NULL，则返回目标宽字符串会包含的字符数量。

assert.h

assert()

assert.h头文件定义了宏assert()，用于在运行时确保程序符合指定条件，如果不符合，就报错终止运行。这个宏常常被称为“断言”。

assert(PI > 3);

上面代码在程序运行到这一行语句时，验证变量PI是否大于3。如果确实大于3，程序继续运行，否则就会终止运行，并且给出报错信息提示。

assert()宏接受一个表达式作为参数。如果该表达式为真（返回值非零），assert()不会产生任何作用，程序继续运行。如果该表达式为假（返回值为零），assert()就会报错，在标准错误流stderr中写入一条错误信息，显示没有通过的表达式，以及包含这个表达式的文件名和行号。最后，调用abort()函数终止程序（abort()函数的原型在stdlib.h头文件中）。

z = x * x - y * y;
assert(z >= 0);

上面的assert()语句类似于下面的代码。

if (z < 0) {
  puts("z less than 0");
  abort();
}

如果断言失败，程序会中断执行，会显示下面的提示。

Assertion failed: (z >= 0), function main, file /Users/assert.c, line 14.

上面报错的格式如下。

Assertion failed: [expression], function [abc], file [xyz], line [nnn].

上面代码中，方括号的部分使用实际数据替换掉。

使用assert()有几个好处：它不仅能自动标识文件和出问题的行号，还有一种无需更改代码就能开启或关闭assert()的机制。如果已经确认程序没有问题，不需要再做断言，就在#include <assert.h>语句的前面，定义一个宏NDEBUG。

#define NDEBUG
#include <assert.h>

然后，重新编译程序，编译器就会禁用文件中所有的assert()语句。如果程序又出现问题，可以移除这条#define NDBUG指令（或者把它注释掉），再次编译，这样就重新启用了assert()语句。

assert()的缺点是，因为引入了额外的检查，增加了程序的运行时间。

static_assert()

C11 引入了静态断言static_assert()，用于在编译阶段进行断言判断。

static_assert(constant-expression, string-literal);

static_assert()接受两个参数，第一个参数constant-expression是一个常量表达式，第二个参数string-literal是一个提示字符串。如果第一个参数的值为false，会产生一条编译错误，第二个参数就是错误提示信息。

static_assert(sizeof(int) == 4, "64-bit code generation is not supported.");

上面代码的意思是，如果当前计算机的int类型不等于4个字节，就会编译报错。

注意，static_assert()只在编译阶段运行，无法获得变量的值。如果对变量进行静态断言，就会导致编译错误。

int positive(const int n) {
  static_assert(n > 0, "value must > 0");
  return 0;
}

上面代码会导致编译报错，因为编译时无法知道变量n的值。

static_assert()的好处是，尽量在编译阶段发现错误，避免运行时再报错，节省开发时间。另外，有些assert()断言位于函数之中，如果不执行该函数，就不会报错，而static_assert()不管函数是否执行，都会进行断言判断。最后，static_assert()不会生成可执行代码，所以不会造成任何运行时的性能损失。

ctype.h

ctype.h头文件定义了一系列字符处理函数的原型。

字符测试函数

这些函数用来判断字符是否属于某种类型。

• isalnum()：是否为字母数字
• isalpha()：是否为字母
• isdigit()：是否为数字
• isxdigit()：是否为十六进制数字符
• islower()：是否为小写字母
• isupper()：是否为大写字母
• isblank()：是否为标准的空白字符（包含空格、水平制表符或换行符）
• isspace()：是否为空白字符（空格、换行符、换页符、回车符、垂直制表符、水平制表符等）
• iscntrl()：是否为控制字符，比如 Ctrl + B
• isprint()：是否为可打印字符
• isgraph()：是否为空格以外的任意可打印字符
• ispunct()：是否为标点符号（除了空格、字母、数字以外的可打印字符）

它们接受一个待测试的字符作为参数。注意，参数类型为int，而不是char，因为它们允许 EOF 作为参数。

如果参数字符属于指定类型，就返回一个非零整数（通常是1，表示为真），否则返回0（表示为伪）。

下面是一个例子，用户输入一个字符，程序判断是否为英文字母。

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>

int main(void) {
  char ch = getchar();

  if (isalpha(ch))
    printf("it is an alpha character.\n");
  else
    printf("it is not an alpha character.\n");

  return 0;
}

字符映射函数

这一类函数返回字符的某种对应形式，主要有两个函数。

• tolower()：如果参数是大写字符，返回小写字符，否则返回原始参数。
• toupper()：如果参数是小写字符，返回大写字符，否则返回原始参数。

// 将字符转为大写
ch = toupper(ch);

注意，这两个函数不会改变原始字符。

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。

float.h

float.h定义了浮点数类型 float、double、long double 的一些宏，规定了这些类型的范围和精度。

(1) FLT_ROUNDS

宏FLT_ROUNDS表示当前浮点数加法的四舍五入方向。

它有以下可能的值。

• -1：不确定。
• 0：向零舍入。
• 1：向最近的整数舍入。
• 2：向正无穷方向舍入。
• 3：向负无穷方向舍入。

（2）FLT_RADIX

宏FLT_RADIX表示科学计数法的指数部分的底（base），一般总是2。

（3）浮点数类型的最大值

• FLT_MAX
• DBL_MAX
• LDBL_MAX

（4）浮点数类型的最小正值

• FLT_MIN
• DBL_MIN
• LDBL_MIN

（5）两个同类型浮点数之间可表示的最小差值（最小精度）

• FLT_EPSILON
• DBL_EPSILON
• LDBL_EPSILON

（6）DECIMAL_DIG

宏DECIMAL_DIG表示十进制有效位数。

（7）FLT_EVAL_METHOD

宏FLT_EVAL_METHOD表示浮点数运算时的类型转换。

它可能有以下值。

• -1：不确定。
• 0：在当前类型中运算。
• 1：float 和 double 类型的运算使用 double 类型的范围和精度求值。
• 2：所有浮点数类型的运算使用 long double 类型的范围和精度求值。

（8）浮点数尾数部分的个数

• FLT_MANT_DIG
• DBL_MANT_DIG
• LDBL_MANT_DIG

（9）浮点数指数部分有效数字的个数（十进制）

• FLT_DIG
• DBL_DIG
• LDBL_DIG

（10）科学计数法的指数部分的最小次幂（负数）

• FLT_MIN_EXP
• DBL_MIN_EXP
• LDBL_MIN_EXP

（11）科学计数法的指数部分的十进制最小次幂（负数）

• FLT_MIN_10_EXP
• DBL_MIN_10_EXP
• LDBL_MIN_10_EXP

（12）科学计数法的指数部分的最大次幂

• FLT_MAX_EXP
• DBL_MAX_EXP
• LDBL_MAX_EXP

（13）科学计数法的指数部分的十进制最大次幂

• FLT_MAX_10_EXP
• DBL_MAX_10_EXP
• LDBL_MAX_10_EXP

inttypes.h

C 语言还在头文件 inttypes.h 里面，为 stdint.h 定义的四类整数类型，提供了printf()和scanf()的占位符。

• 固定宽度整数类型，比如 int8_t。
• 最小宽度整数类型，比如 int_least8_t。
• 最快最小宽度整数类型，比如 int_fast8_t。
• 最大宽度整数类型，比如 intmax_t。

printf()的占位符采用PRI + 原始占位符 + 类型关键字/宽度的形式构成。举例来说，原始占位符为%d，则对应的占位符如下。

• PRIdn （固定宽度类型）
• PRIdLEASTn （最小宽度类型）
• PRIdFASTn （最快最小宽度类型）
• PRIdMAX （最大宽度类型）

上面占位符中的n，可以用8、16、32、64代入。

下面是用法示例。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

int main(void) {
  int_least16_t x = 3490;
  printf("The value is %" PRIdLEAST16 "!\n", x);
}

上面示例中，PRIdLEAST16对应的整数类型为 int_least16_t，原始占位符为%d。另外，printf()的第一个参数用到了多个字符串自动合并的写法。

下面是其它的原始占位符对应的占位符。

• %i：PRIin PRIiLEASTn PRIiFASTn PRIiMAX
• %o：PRIon PRIoLEASTn PRIoFASTn PRIoMAX
• %u：PRIun PRIuLEASTn PRIuFASTn PRIuMAX
• %x：PRIxn PRIxLEASTn PRIxFASTn PRIxMAX
• %X：PRIXn PRIXLEASTn PRIXFASTn PRIXMAX

scanf()的占位符规则也与之类似。

• %d：SCNdn SCNdLEASTn SCNdFASTn SCNdMAX
• %i：SCNin SCNiLEASTn SCNiFASTn SCNiMAX
• %o：SCNon SCNoLEASTn SCNoFASTn SCNoMAX
• %u：SCNun SCNuLEASTn SCNuFASTn SCNuMAX
• %x：SCNxn SCNxLEASTn SCNxFASTn SCNxMAX

iso646.h

iso646.h头文件指定了一些常见运算符的替代拼写。比如，它用关键字and代替逻辑运算符&&。

if (x > 6 and x < 12)
// 等同于
if (x > 6 && x < 12)

它定义的替代拼写如下。

• and 替代 &&
• and_eq 替代 &=
• bitand 替代 &
• bitor 替代 |
• compl 替代 ~
• not 替代 !
• not_eq 替代 !=
• or 替代 ||
• or_eq 替代 |=
• xor 替代 ^
• xor_eq 替代 ^=

limits.h

limits.h提供了用来定义各种整数类型（包括字符类型）取值范围的宏。

• CHAR_BIT：每个字符包含的二进制位数。
• SCHAR_MIN：signed char 类型的最小值。
• SCHAR_MAX：signed char 类型的最大值。
• UCHAR_MAX：unsiged char 类型的最大值。
• CHAR_MIN：char 类型的最小值。
• CHAR_MAX：char 类型的最大值。
• MB_LEN_MAX：多字节字符最多包含的字节数。
• SHRT_MIN：short int 类型的最小值。
• SHRT_MAX：short int 类型的最大值。
• USHRT_MAX：unsigned short int 类型的最大值。
• INT_MIN：int 类型的最小值。
• INT_MAX：int 类型的最大值。
• UINT_MAX：unsigned int 类型的最大值。
• LONG_MIN：long int 类型的最小值。
• LONG_MAX：long int 类型的最大值。
• ULONG_MAX：unsigned long int 类型的最大值。
• LLONG_MIN：long long int 类型的最小值。
• LLONG_MAX：long long int 类型的最大值。
• ULLONG_MAX：unsigned long long int 类型的最大值。

下面的示例是使用预处理指令判断，int 类型是否可以用来存储大于 100000 的数。

#if INT_MAX < 100000
  #error int type is too small
#endif

上面示例中，如果 int 类型太小，预处理器会显示一条出错消息。

可以使用limit.h里面的宏，为类型别名选择正确的底层类型。

#if INT_MAX >= 100000
  typedef int Quantity;
#else
  typedef long int Quantity;
#endif

上面示例中，如果整数类型的最大值（INT_MAX）不小于100000，那么类型别名Quantity指向int，否则就指向long int。

locale.h

简介

locale.h是程序的本地化设置，主要影响以下的行为。

• 数字格式
• 货币格式
• 字符集
• 日期和时间格式

它设置了以下几个宏。

• LC_COLLATE：影响字符串比较函数strcoll()和strxfrm()。
• LC_CTYPE：影响字符处理函数的行为。
• LC_MONETARY：影响货币格式。
• LC_NUMERIC：影响printf()的数字格式。
• LC_TIME：影响时间格式strftime()和wcsftime()。
• LC_ALL：将以上所有类别设置为给定的语言环境。

setlocale()

setlocale()用来设置当前的地区。

char* setlocale(int category, const char* locale);

它接受两个参数。第一个参数表示影响范围，如果值为前面五个表示类别的宏之一，则只影响该宏对应的类别，如果值为LC_ALL，则影响所有类别。第二个参数通常只为"C"（正常模式）或""（本地模式）。

任意程序开始时，都隐含下面的调用。

setlocale(LC_ALL, "C");

下面的语句将格式本地化。

setlocale(LC_ALL, "");

上面示例中，第二个参数为空字符，表示使用当前环境提供的本地化设置。

理论上，第二个参数也可以设为当前系统支持的某种格式。

setlocale(LC_ALL, "en_US.UTF-8");

但是这样的话，程序的可移植性就变差了，因为无法保证其他系统也会支持那种格式。所以，通常都将第二个参数设为空字符串，使用操作系统的当前设置。

setlocale()的返回值是一个字符串指针，表示已经设置好的格式。如果调用失败，则返回空指针 NULL。

setlocale()可以用来查询当前地区，这时第二个参数设为 NULL 就可以了。

char *loc;

loc = setlocale(LC_ALL, NULL);

// 输出 Starting locale: C
printf("Starting locale: %s\n", loc);

loc = setlocale(LC_ALL, "");

// 输出 Native locale: en_US.UTF-8    
printf("Native locale: %s\n", loc);

localeconv()

localeconv()用来获取当前格式的详细信息。

struct lconv* localeconv(void);

该函数返回一个 Struct 结构指针，该结构里面包含了格式信息，它的主要属性如下。

• char* mon_decimal_point：货币的十进制小数点字符，比如.。
• char* mon_thousands_sep：货币的千位分隔符，比如,。
• char* mon_grouping：货币的分组描述符。
• char* positive_sign：货币的正值符号，比如+或为空字符串。
• char* negative_sign：货币的负值符号，比如-。
• char* currency_symbol：货币符号，比如$。
• char frac_digits：打印货币金额时，十进制小数点后面输出几位小数，比如设为2。
• char p_cs_precedes：设为1时，货币符号currency_symbol出现在非负金额前面。设为0时，出现在后面。
• char n_cs_precedes：设为1时，货币符号currency_symbol出现在负的货币金额前面。设为0时，出现在后面。
• char p_sep_by_space：决定了非负的货币金额与货币符号之间的分隔字符。
• char n_sep_by_space：决定了负的货币金额与货币符号之间的分隔字符。
• char p_sign_posn：决定了非负值的正值符号的位置。
• char n_sign_posn：决定了负值的负值符号的位置。
• char* int_curr_symbol：货币的国际符号，比如USD。
• char int_frac_digits：使用国际符号时，frac_digits的值。
• char int_p_cs_precedes：使用国际符号时，p_cs_precedes的值。
• char int_n_cs_precedes：使用国际符号时，n_cs_precedes的值。
• char int_p_sep_by_space：使用国际符号时，p_sep_by_space的值。
• char int_n_sep_by_space：使用国际符号时，n_sep_by_space的值。
• char int_p_sign_posn：使用国际符号时，p_sign_posn的值。
• char int_n_sign_posn：使用国际符号时，n_sign_posn的值。

下面程序打印当前系统的属性值。

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

int main ()
{
    setlocale (LC_ALL,"zh_CN");
    struct lconv * lc;
    lc=localeconv();
    printf ("decimal_point: %s\n",lc->decimal_point);
    printf ("thousands_sep: %s\n",lc->thousands_sep);
    printf ("grouping: %s\n",lc->grouping);
    printf ("int_curr_symbol: %s\n",lc->int_curr_symbol);
    printf ("currency_symbol: %s\n",lc->currency_symbol);
    printf ("mon_decimal_point: %s\n",lc->mon_decimal_point);
    printf ("mon_thousands_sep: %s\n",lc->mon_thousands_sep);
    printf ("mon_grouping: %s\n",lc->mon_grouping);
    printf ("positive_sign: %s\n",lc->positive_sign);
    printf ("negative_sign: %s\n",lc->negative_sign);
    printf ("frac_digits: %d\n",lc->frac_digits);
    printf ("p_cs_precedes: %d\n",lc->p_cs_precedes);
    printf ("n_cs_precedes: %d\n",lc->n_cs_precedes);
    printf ("p_sep_by_space: %d\n",lc->p_sep_by_space);
    printf ("n_sep_by_space: %d\n",lc->n_sep_by_space);
    printf ("p_sign_posn: %d\n",lc->p_sign_posn);
    printf ("n_sign_posn: %d\n",lc->n_sign_posn);
    printf ("int_frac_digits: %d\n",lc->int_frac_digits);
    printf ("int_p_cs_precedes: %d\n",lc->int_p_cs_precedes);
    printf ("int_n_cs_precedes: %d\n",lc->int_n_cs_precedes);
    printf ("int_p_sep_by_space: %d\n",lc->int_p_sep_by_space);
    printf ("int_n_sep_by_space: %d\n",lc->int_n_sep_by_space);
    printf ("int_p_sign_posn: %d\n",lc->int_p_sign_posn);
    printf ("int_n_sign_posn: %d\n",lc->int_n_sign_posn);
   
    return 0;
}

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

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。

stdint.h

固定宽度的整数类型

stdint.h 定义了一些固定宽度的整数类型别名，主要有下面三类。

• 宽度完全确定的整数intN_t，比如int32_t。
• 宽度不小于某个大小的整数int_leastN_t，比如int_least8_t。
• 宽度不小于某个大小、并且处理速度尽可能快的整数int_fastN_t，比如int_fast64_t。

上面所有类型都是有符号的，类型名前面可以加一个前缀u，表示无符号类型，比如uint16_t。

C 语言标准要求定义以下类型。

• int8_t（可选） uint8_t（可选）
• int16_t（可选） uint16_t（可选）
• int32_t（可选） uint32_t（可选）
• int64_t（可选） uint64_t（可选）
• int_least8_t uint_least8_t
• int_least16_t uint_least16_t
• int_least32_t uint_least32_t
• int_least64_t uint_least64_t
• int_fast8_t uint_fast8_t
• int_fast16_t uint_fast16_t
• int_fast32_t uint_fast32_t
• int_fast64_t uint_fast64_t

最大宽度的整数类型

以下两个类型表示当前系统可用的最大宽度整数。

• intmax_t
• uintmax_t

如果想要尽可能大的整数时，可以使用上面类型。

固定宽度的整数常量

以下一些带参数的宏，可以生成固定宽度的整数常量。

• INT8_C(x) UINT8_C(x)
• INT16_C(x) UINT16_C(x)
• INT32_C(x) UINT32_C(x)
• INT64_C(x) UINT64_C(x)
• INTMAX_C(x) UINTMAX_C(x)

下面是用法示例。

uint16_t x = UINT16_C(12);
intmax_t y = INTMAX_C(3490);

固定宽度的整数极限值

下面一些宏代表了固定宽度的整数最大值和最小值。

• INT8_MAX INT8_MIN UINT8_MAX
• INT16_MAX INT16_MIN UINT16_MAX
• INT32_MAX INT32_MIN UINT32_MAX
• INT64_MAX INT64_MIN UINT64_MAX
• INT_LEAST8_MAX INT_LEAST8_MIN UINT_LEAST8_MAX
• INT_LEAST16_MAX INT_LEAST16_MIN UINT_LEAST16_MAX
• INT_LEAST32_MAX INT_LEAST32_MIN UINT_LEAST32_MAX
• INT_LEAST64_MAX INT_LEAST64_MIN UINT_LEAST64_MAX
• INT_FAST8_MAX INT_FAST8_MIN UINT_FAST8_MAX
• INT_FAST16_MAX INT_FAST16_MIN UINT_FAST16_MAX
• INT_FAST32_MAX INT_FAST32_MIN UINT_FAST32_MAX
• INT_FAST64_MAX INT_FAST64_MIN UINT_FAST64_MAX
• INTMAX_MAX INTMAX_MIN UINTMAX_MAX

注意，所有无符号整数类型的最小值都为0，所以没有对应的宏。

占位符

C 语言还在头文件 inttypes.h 里面，为上面类型定义了printf()和scanf()的占位符，参见《inttypes.h》一章。

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。

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);

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);

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

wchar.h

宽字符使用两个或四个字节表示一个字符，导致 C 语言常规的字符处理函数都会失效。wchar.h 定义了许多宽字符专用的处理函数。

类型别名和宏

wchar.h 定义了一个类型别名 wint_t，表示宽字符对应整数值。

wchar.h 还定义了一个宏 WEOF，表示文件结束字符 EOF 的宽字符版。

btowc()，wctob()

btowc()将单字节字符转换为宽字符，wctob()将宽字符转换为单字节字符。

wint_t btowc(int c);
int wctob(wint_t c);

btowc()返回一个宽字符。如果参数是 EOF，或转换失败，则返回 WEOF。

wctob()返回一个单字节字符。如果参数是 WEOF，或者参数宽字符无法对应单个的单字节字符，则返回 EOF。

下面是用法示例。

wint_t wc = btowc('B'); 

// 输出宽字符 B
wprintf(L"Wide character: %lc\n", wc);

unsigned char c = wctob(wc);

// 输出单字节字符 B
wprintf(L"Single-byte character: %c\n", c);

fwide()

fwide()用来设置一个字节流是宽字符流，还是多字节字符流。

如果使用宽字符专用函数处理字节流，就会默认设置字节流为宽字符流，否则就需要使用fwide()显式设置。

int fwide(FILE* stream, int mode);

它接受两个参数，第一个参数是文件指针，第二个参数是字节流模式，有三种选择。

• 0：字节流模式保持原样。
• -1（或其他负值）：设为多字节字符流。
• 1（或其他正值）：设为宽字符流。

fwide()的返回值也分成三种情况：如果是宽字符流，返回一个正值；如果是多字节字符流，返回一个负值；如果是普通字符流，返回0。

一旦设置了字节流模式，就无法再更改。

#include <stdio.h>
#include <wchar.h>

int main(void) {
  wprintf(L"Hello world!\n");
  int mode = fwide(stdout, 0);
  wprintf(L"Stream is %ls-oriented\n", mode < 0 ? L"byte" : L"wide");
}

上面示例中，wprintf()将字节流隐式设为宽字符模式，所以fwide(stdout, 0)的返回值大于零。

宽字符专用函数

下面这些函数基本都是 stdio.h 里面的字符处理函数的宽字符版本，必须使用这些函数来操作宽字符。

• fgetwc() 从宽字符流中获取宽字符，对应 fgetc()。
• fgetws() 从宽字符流中读取宽字符串，对应 fgets()。
• fputwc() 将宽字符写入宽字符流，对应 fputc()。
• fputws() 将宽字符串写入宽字符流，对应 fputs()。
• fwprintf() 格式化宽输出到宽字符流，对应 fprintf()。
• fwscanf() 来自宽字符流的格式化宽字符输入，对应 fscanf()。
• getwchar() 从 stdin 获取一个宽字符，对应 getchar()。
• getwc() 从 stdin 获取一个宽字符，对应 getc()。
• putwchar() 写一个宽字符到 stdout，对应 putchar()。
• putwc() 写一个宽字符到 stdout，对应 putc()。
• swprintf() 格式化宽输出到宽字符串，对应 sprintf()。
• swscanf() 来自宽字符串的格式化宽输入，对应 sscanf()。
• ungetwc() 将宽字符推回输入流，对应 ungetc()。
• vfwprintf() 可变参数的格式化宽字符输出到宽字符流，对应 vfprintf()。
• vfwscanf() 来自宽字符流的可变参数格式化宽字符输入，对应 vfscanf()。
• vswprintf() 可变参数的格式化宽字符输出到宽字符串，对应 vswprintf()。
• vswscanf() 来自宽字符串的可变参数格式化宽字符输入，对应 vsscanf()。
• vwprintf() 可变参数格式化宽字符输出，对应 vprintf()。
• vwscanf() 可变参数的格式化宽字符输入，对应 vscanf()。
• wcscat() 危险地连接宽字符串，对应 strcat()。
• wcschr() 在宽字符串中查找宽字符，对应 strchr()。
• wcscmp() 比较宽字符串，对应 strcmp()。
• wcscoll() 比较两个考虑语言环境的宽字符串，对应 strcoll()。
• wcscpy() 危险地复制宽字符串，对应 strcpy()。
• wcscspn() 不是从宽字符串前面开始计算字符，对应 strcspn()。
• wcsftime() 格式化的日期和时间输出，对应 strftime()。
• wcslen() 返回宽字符串的长度，对应 strlen()。
• wcsncat() 更安全地连接宽字符串，对应 strncat()。
• wcsncmp() 比较宽字符串，长度有限，对应 strncmp()。
• wcsncpy() 更安全地复制宽字符串，对应 strncpy()。
• wcspbrk() 在宽字符串中搜索一组宽字符中的一个，对应 strpbrk()。
• wcsrchr() 从末尾开始在宽字符串中查找宽字符，对应 strrchr()。
• wcsspn() 从宽字符串前面的集合中计算字符，对应 strspn()。
• wcsstr() 在另一个宽字符串中找到一个宽字符串，对应 strstr()。
• wcstod() 将宽字符串转换为 double，对应 strtod()。
• wcstof() 将宽字符串转换为 float，对应 strtof()。
• wcstok() 标记一个宽字符串，对应 strtok()。
• wcstold() 将宽字符串转换为 long double，对应 strtold()。
• wcstoll() 将宽字符串转换为 long long，对应 strtoll()。
• wcstol() 将宽字符串转换为 long，对应 strtol()。
• wcstoull() 将宽字符串转换为 unsigned long long，对应 strtoull()。
• wcstoul() 将宽字符串转换为 unsigned long，对应 strtoul()。
• wcsxfrm() 转换宽字符串以根据语言环境进行比较，对应 strxfrm()。
• wmemcmp() 比较内存中的宽字符，对应 memcmp()。
• wmemcpy() 复制宽字符内存，对应 memcpy()。
• wmemmove() 复制宽字符内存，可能重叠，对应 memmove()。
• wprintf() 格式化宽输出，对应 printf()。
• wscanf() 格式化宽输入，对应 scanf()。

多字节字符专用函数

wchar.h 也定义了一些多字节字符的专用函数。

• mbsinit() 判断 mbstate_t 是否处于初始转换状态。
• mbrlen() 给定转换状态时，计算多字节字符串的字节数，对应 mblen()。
• mbrtowc() 给定转换状态时，将多字节字符转换为宽字符，对应 mbtowc()。
• wctombr() 给定转换状态时，将宽字符转换为多字节字符，对应 wctomb()。
• mbsrtowcs() 给定转换状态时，将多字节字符串转换为宽字符串，对应 mbstowcs()。
• wcsrtombs() 给定转换状态时，将宽字符串转换为多字节字符串，对应 wcstombs()。

wctype.h

wctype.h 提供 ctype.h 里面函数的宽字符版本。

宽字符类型判断函数

下面函数判断宽字符的类型。

• iswalnum() 测试宽字符是否为字母数字
• iswalpha() 测试宽字符是否为字母
• iswblank() 测试这是否是一个宽空白字符
• iswcntrl() 测试这是否是一个宽控制字符。
• iswdigit() 测试这个宽字符是否是数字
• iswgraph() 测试宽字符是否是可打印的非空格字符
• iswlower() 测试宽字符是否为小写
• iswprint() 测试宽字符是否可打印
• iswpunct() 测试宽字符是否为标点符号
• iswspace() 测试宽字符是否为空格
• iswupper() 测试宽字符是否为大写
• iswxdigit() 测试宽字符是否为十六进制数字

wctype()，iswctype()

iswctype()是上一节各种宽字符类型判断函数的通用版本，必须与wctype()配合使用。

int iswctype(wint_t wc, wctype_t desc);

iswctype()接受两个参数，第一个参数是一个需要判断类型的宽字符，第二个参数是宽字符类型描述，来自wctype()的返回值。

如果宽字符属于指定类型，iswctype()返回一个非零值，否则返回零。

wctype()用来获取某个种类宽字符的类型描述。

wctype_t wctype(const char* property);

wctype()的参数是一个给定的字符串，可用的值如下：alnum、alpha、blank、cntrl、digit、graph、lower、print、punct、space、upper、xdigit。

wctype()的返回值的类型为 wctype_t，通常是一个整数。如果参数是一个无效值，则返回0。

if (iswctype(c, wctype("digit")))
// 相当于
if (iswdigit(c))

上面示例用来判断宽字符c是否为数值，相当于iswdigit()。

iswctype()的完整类型判断如下。

iswctype(c, wctype("alnum"))	// 相当于 iswalnum(c)
iswctype(c, wctype("alpha"))	// 相当于 iswalpha(c)
iswctype(c, wctype("blank"))	// 相当于 iswblank(c)
iswctype(c, wctype("cntrl"))	// 相当于 iswcntrl(c)
iswctype(c, wctype("digit"))	// 相当于 iswdigit(c)
iswctype(c, wctype("graph"))	// 相当于 iswgraph(c)
iswctype(c, wctype("lower"))	// 相当于 iswlower(c)
iswctype(c, wctype("print"))	// 相当于 iswprint(c)
iswctype(c, wctype("punct"))	// 相当于 iswpunct(c)
iswctype(c, wctype("space"))	// 相当于 iswspace(c)
iswctype(c, wctype("upper"))	// 相当于 iswupper(c)
iswctype(c, wctype("xdigit"))	// 相当于 iswxdigit(c)

大小写转换函数

wctype.h 提供以下宽字符大小写转换函数。

• towlower() 将大写宽字符转换为小写
• towupper() 将小写宽字符转换为大写
• towctrans() 宽字符大小写转换的通用函数
• wctrans() 大小写转换的辅助函数，配合 towctrans() 使用

先看towlower()和towupper()的用法示例。

towlower(L'B') // b
towupper(L'e') // E

towctrans()和wctrans()的原型如下。

wint_t towctrans(wint_t wc, wctrans_t desc);
wctrans_t wctrans(const char* property);

下面是它们的用法示例。

towctrans(c, wctrans("toupper"))	// 相当于 towupper(c)
towctrans(c, wctrans("tolower"))	// 相当于 towlower(c)