C库 —— ＜stdlib.h＞

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引言

<stdlib.h> 库是C标准库中的一个重要部分，它提供了一组通用的工具函数，用于执行各种常见的操作，如动态内存分配、程序终止、数学计算、随机数生成和字符串转换等。掌握 <stdlib.h> 库的功能对于编写健壮和高效的C程序至关重要。本文将详细介绍 <stdlib.h> 库的各个方面，包括其函数、用法以及在实际编程中的应用。

<stdlib.h> 库的基本功能

<stdlib.h> 库包含许多重要的函数，这些函数可以分为以下几类：

1. 程序控制函数
2. 内存管理函数
3. 数学计算函数
4. 随机数生成函数
5. 字符串转换函数
6. 搜索和排序函数

我们将逐一介绍这些函数的详细内容及其使用方法。

1. 程序控制函数

程序控制函数用于控制程序的执行流程，包括程序的正常终止和异常终止等操作。<stdlib.h> 库提供了以下常用的程序控制函数：

• exit：终止程序
• abort：异常终止程序
• atexit：注册程序结束时执行的函数

exit 函数

exit 函数用于终止程序并返回状态码给操作系统，其基本语法如下：

void exit(int status); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { printf("Program will exit with status code 0.\n"); exit(0); // 这行代码不会被执行 printf("This line will not be executed.\n"); return 0; } 

abort 函数

abort 函数用于异常终止程序，其基本语法如下：

void abort(void); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { printf("Program will abort.\n"); abort(); // 这行代码不会被执行 printf("This line will not be executed.\n"); return 0; } 

atexit 函数

atexit 函数用于注册程序结束时执行的函数，其基本语法如下：

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

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> void cleanup(void) { printf("Cleanup function called.\n"); } int main() { atexit(cleanup); printf("Program will exit normally.\n"); return 0; } 

2. 内存管理函数

内存管理函数用于动态分配和释放内存。<stdlib.h> 库提供了以下常用的内存管理函数：

• malloc：分配内存
• calloc：分配并初始化内存
• realloc：重新分配内存
• free：释放内存

malloc 函数

malloc 函数用于分配指定大小的内存块，其基本语法如下：

void *malloc(size_t size); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *arr; int n = 5; arr = (int *)malloc(n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } printf("Array elements: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); free(arr); return 0; } 

calloc 函数

calloc 函数用于分配并初始化内存块，其基本语法如下：

void *calloc(size_t num, size_t size); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *arr; int n = 5; arr = (int *)calloc(n, sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed.\n"); return 1; } printf("Array elements after calloc: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); free(arr); return 0; } 

realloc 函数

realloc 函数用于重新分配内存块，其基本语法如下：

void *realloc(void *ptr, size_t size); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *arr; int n = 5; arr = (int *)malloc(n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } n = 10; arr = (int *)realloc(arr, n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory reallocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 5; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } printf("Array elements after realloc: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); free(arr); return 0; } 

free 函数

free 函数用于释放动态分配的内存，其基本语法如下：

void free(void *ptr); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *arr; int n = 5; arr = (int *)malloc(n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } printf("Array elements: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); free(arr); return 0; } 

3. 数学计算函数

<stdlib.h> 库提供了一组用于数学计算的函数：

• abs：计算整数的绝对值
• labs：计算长整数的绝对值
• llabs：计算长长整数的绝对值
• div：计算整数的商和余数
• ldiv：计算长整数的商和余数
• lldiv：计算长长整数的商和余数

abs 函数

abs 函数用于计算整数的绝对值，其基本语法如下：

int abs(int x); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int x = -5; printf("Absolute value of %d is %d\n", x, abs(x)); return 0; } 

div 函数

div 函数用于计算整数的商和余数，其基本语法如下：

div_t div(int numer, int denom); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int numer = 10; int denom = 3; div_t result = div(numer, denom); printf("Quotient: %d, Remainder: %d\n", result.quot, result.rem); return 0; } 

4. 随机数生成函数

<stdlib.h> 库提供了一组用于生成随机数的函数：

• rand：生成随机数
• srand：设置随机数种子

rand 和 srand 函数

rand 函数用于生成随机数，其基本语法如下：

int rand(void); 

srand 函数用于设置随机数种子，其基本语法如下：

void srand(unsigned int seed); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <time.h> int main() { srand(time(0)); printf("Random number: %d\n", rand()); printf("Random number: %d\n", rand()); printf("Random number: %d\n", rand()); return 0; } 

5. 字符串转换函数

<stdlib.h> 库提供了一组用于将字符串转换为数值的函数：

• atoi：将字符串转换为整数
• atol：将字符串转换为长整数
• atoll：将字符串转换为长长整数
• strtol：将字符串转换为长整数（带错误检查）
• strtoll：将字符串转换为长长整数（带错误检查）
• strtoul：将字符串转换为无符号长整数（带错误检查）
• strtoull：将字符串转换为无符号长长整数（带错误检查）
• strtod：将字符串转换为双精度浮点数（带错误检查）
• strtof：将字符串转换为单精度浮点数（带错误检查）
• strtold：将字符串转换为长双精度浮点数（带错误检查）

atoi 函数

atoi 函数用于将字符串转换为整数，其基本语法如下：

int atoi(const char *str); 

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char str[] = "12345"; int num = atoi(str); printf("Converted number: %d\n", num); return 0; } 

strtol 函数

strtol 函数用于将字符串转换为长整数，并带有错误检查，其基本语法如下：

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

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char str[] = "12345abc"; char *endptr; long int num = strtol(str, &endptr, 10); printf("Converted number: %ld\n", num); printf("Remaining string: %s\n", endptr); return 0; } 

6. 搜索和排序函数

<stdlib.h> 库提供了一组用于搜索和排序的函数：

• qsort：快速排序
• bsearch：二分查找

qsort 函数

qsort 函数用于对数组进行快速排序，其基本语法如下：

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

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int compare(const void *a, const void *b) { return (*(int*)a - *(int*)b); } int main() { int arr[] = {5, 2, 9, 1, 5, 6}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); qsort(arr, n, sizeof(int), compare); printf("Sorted array: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); return 0; } 

bsearch 函数

bsearch 函数用于对排序数组进行二分查找，其基本语法如下：

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

示例代码：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int compare(const void *a, const void *b) { return (*(int*)a - *(int*)b); } int main() { int arr[] = {1, 2, 5, 5, 6, 9}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); int key = 5; int *item = (int*)bsearch(&key, arr, n, sizeof(int), compare); if (item != NULL) { printf("Found item: %d\n", *item); } else { printf("Item not found\n"); } return 0; } 

图表描述

为了更清晰地展示 <stdlib.h> 库的各个函数，我们可以使用图表进行描述。以下是一些常用函数及其分类的图表：

1. 程序控制函数

1. 内存管理函数

1. 数学计算函数

1. 随机数生成函数

1. 字符串转换函数

1. 搜索和排序函数

实际应用示例

示例一：动态数组的创建和操作

以下代码示例演示了如何使用 malloc 和 realloc 函数创建和操作动态数组：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *arr; int n = 5; arr = (int *)malloc(n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory allocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 0; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } printf("Initial array: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); n = 10; arr = (int *)realloc(arr, n * sizeof(int)); if (arr == NULL) { printf("Memory reallocation failed.\n"); return 1; } for (int i = 5; i < n; i++) { arr[i] = i + 1; } printf("Resized array: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); free(arr); return 0; } 

示例二：字符串转换和数学计算

以下代码示例演示了如何使用 atoi 和 abs 函数将字符串转换为整数并计算其绝对值：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { char str[] = "-12345"; int num = atoi(str); printf("Converted number: %d\n", num); printf("Absolute value: %d\n", abs(num)); return 0; } 

示例三：快速排序和二分查找

以下代码示例演示了如何使用 qsort 函数对数组进行快速排序，并使用 bsearch 函数在排序后的数组中进行二分查找：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int compare(const void *a, const void *b) { return (*(int*)a - *(int*)b); } int main() { int arr[] = {5, 2, 9, 1, 5, 6}; int n = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]); int key = 5; qsort(arr, n, sizeof(int), compare); printf("Sorted array: "); for (int i = 0; i < n; i++) { printf("%d ", arr[i]); } printf("\n"); int *item = (int*)bsearch(&key, arr, n, sizeof(int), compare); if (item != NULL) { printf("Found item: %d\n", *item); } else { printf("Item not found\n"); } return 0; } 

结论

<stdlib.h> 库是C标准库中用于执行各种常见操作的重要工具。通过使用这些程序控制、内存管理、数学计算、随机数生成、字符串转换和搜索排序函数，程序员可以简化对常见任务的处理，提高代码的可读性和可维护性。本文详细介绍了 <stdlib.h> 库的各个函数及其用法，并提供了实际应用示例和图表描述，帮助读者深入理解和掌握这些函数的使用。希望本文对读者在C语言编程中的实践有所帮助。