C 标准库速查手册

前置知识#

• 程序结构与基本语法：会写、会编译基础 C 程序
• 了解指针与数组的基本用法（字符串函数大量使用 char *）

学习目标#

• 说出标准库核心头文件各自的职责，需要某个功能时知道去哪个头文件找
• 掌握四类返回值的通用语义：指针型（NULL 表失败）、流操作（EOF）、状态型（0/非 0）、尺寸型（size_t）
• 正确使用 printf/scanf 格式符，避免 %zu、%p、宽度限制等常见错误
• 用 strncpy/snprintf/strncat 写出边界安全的字符串代码，理解 strncpy 可能不补 ‘\0’ 的陷阱
• 用 strtol 替代 atoi 做带错误检测的数值转换
• 会用 qsort 的比较函数约定（负/零/正）

标准库总览#

C 标准库按功能拆成多个头文件。写代码时先想”要做什么”，再对应到头文件：

返回值语义的通用规律#

标准库函数的返回值分四类，记熟规律后遇到新函数也能猜对：

两个必须内化的细节：

• size_t 是无符号类型。strlen("abc") - 5 不会得到 -2，而是回绕成巨大的正数。循环写 for (size_t i = len - 1; ...) 前先确认 len > 0。
• EOF 是 int。fgetc 返回 int 是为了能同时表达”某个字节值”和”读失败”，接收它的变量必须声明为 int。

输入输出 <stdio.h>#

printf 格式符速查#

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

int main(void) {
    size_t n = strlen("hello");
    int *p = NULL;

    printf("长度: %zu\n", n);          // 长度: 5
    printf("指针: %p\n", (void *)p);   // %p 必须配 void*
    printf("[%5d] [%-5d] [%05d]\n", 42, 42, 42);
    // [   42] [42   ] [00042]
    return 0;
}

scanf 的两条铁律#

int x;
double d;
char name[32];

scanf("%d", &x);            // 参数必须是"地址"：&x 而不是 x
scanf("%31[^\n]", name);    // 读含空格的一行：限制宽度 31，留 1 字节给 '\0'

文件操作模式#

FILE *fp = fopen("data.txt", "r");   // r读 w写 a追加；+ 表读写；b 表二进制
if (fp == NULL) {                    // fopen 失败返回 NULL，必须检查
    perror("fopen");                 // 打印"系统错误原因"
    return 1;
}
// "w" 会清空已有文件；想保留旧内容追加要用 "a"
fclose(fp);

文件读写函数的系统讲解见 文件 I/O 操作。

字符串与内存 <string.h>#

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

int main(void) {
    /* strncpy 陷阱演示 */
    char dst[8];
    strncpy(dst, "hello, world", sizeof(dst));
    dst[sizeof(dst) - 1] = '\0';   // 源更长时不保证 '\0'，必须手动补
    printf("%s\n", dst);           // hello, 

    /* 推荐写法：snprintf 永远补 '\0'，并返回应写的长度 */
    char buf[8];
    int need = snprintf(buf, sizeof(buf), "%d-%s", 12345, "abcdef");
    if (need < 0) { /* 编码错误 */ }
    else if ((size_t)need >= sizeof(buf)) {
        printf("被截断：需要 %d 字节\n", need);
    }
    printf("%s\n", buf);           // 12345-a
    return 0;
}

通用工具 <stdlib.h>#

动态内存四件套#

int *p  = malloc(10 * sizeof(int));        // 分配，内容未初始化
int *p0 = calloc(10, sizeof(int));         // 分配并清零
int *q  = realloc(p, 20 * sizeof(int));    // 扩容；用新变量接收，防止失败时丢指针
if (q) p = q;
free(p);                                    // 释放后置空，防止悬垂指针
p = NULL;

malloc 失败返回 NULL；free(NULL) 安全无害。完整的内存管理讲解见 动态内存管理。

数值转换：strtol 优于 atoi#

atoi("abc") 返回 0 且无法得知出错了；strtol 通过指针与 errno 提供完整错误信息：

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

int main(void) {
    const char *s = "123abc";
    char *end;
    errno = 0;
    long v = strtol(s, &end, 10);

    if (end == s)      printf("没有解析出任何数字\n");
    else if (*end)     printf("数字后有余料: %s\n", end);   // 余料: abc
    else if (errno == ERANGE) printf("超出 long 范围\n");
    else               printf("解析成功: %ld\n", v);
    return 0;
}

qsort 与 bsearch#

比较函数约定：返回”负数 / 0 / 正数”表示”前者应排在后者前 / 相等 / 后”：

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

int cmp_int(const void *a, const void *b) {
    int x = *(const int *)a, y = *(const int *)b;
    return (x > y) - (x < y);   // 安全写法；不要写 x - y（大数相减可能溢出）
}

int main(void) {
    int arr[] = {5, 2, 8, 1, 9};
    qsort(arr, sizeof(arr) / sizeof(arr[0]), sizeof(int), cmp_int);
    for (int i = 0; i < 5; i++) printf("%d ", arr[i]);   // 1 2 5 8 9
    printf("\n");
    return 0;
}

其它常用#

数学 <math.h>#

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

int main(void) {
    printf("sqrt(2)   = %.4f\n", sqrt(2.0));     // 1.4142
    printf("pow(2,10) = %.0f\n", pow(2.0, 10.0)); // 1024
    printf("ceil(3.2) = %.1f\n", ceil(3.2));      // 4.0（向上取整）
    printf("floor(3.8)= %.1f\n", floor(3.8));     // 3.0（向下取整）
    printf("fabs(-1.5)= %.1f\n", fabs(-1.5));     // 1.5
    printf("round(2.5)= %.1f\n", round(2.5));     // 3.0（远离零四舍五入）
    return 0;
}

三个易错点：

• 参数与返回都是 double：写 sqrt(2) 也能编译（隐式转 double），但习惯上写 2.0。
• Linux 下要链接数学库：gcc main.c -o main -lm。
• 浮点比较不能直接用 ==：应比较 fabs(a - b) < EPS（EPS 按量级取，如 1e-9）。

字符分类 <ctype.h>#

#include <ctype.h>

if (isdigit((unsigned char)ch)) { /* ch 是 '0'..'9' */ }
if (isalpha((unsigned char)ch)) { /* ch 是字母 */ }
ch = (char)toupper(ch);   // 转大写；非字母原样返回

注意：参数虽声明为 int，但必须传入 unsigned char 值或 EOF。直接把 char 传进去，在 char 为有符号的平台上遇到扩展字符（负值）是未定义行为，所以惯例是先转 (unsigned char)。

时间 <time.h>#

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

int main(void) {
    clock_t c0 = clock();            // 进程 CPU 时间（测量耗时）
    time_t now = time(NULL);         // 日历时间戳（秒）

    struct tm *t = localtime(&now);
    printf("%04d-%02d-%02d\n",
           t->tm_year + 1900, t->tm_mon + 1, t->tm_mday);

    double cpu = (double)(clock() - c0) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("CPU time: %.6f s\n", cpu);
    return 0;
}

time_t 秒数差不要直接相减，用 difftime(t1, t2)；测”真实流逝时间”在 POSIX 上更推荐 clock_gettime(CLOCK_MONOTONIC, ...)。

错误码与断言#

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

FILE *fp = fopen("nofile.txt", "r");
if (!fp) {
    // errno 被库函数置为失败原因，strerror 转为可读文本
    fprintf(stderr, "open failed: %s\n", strerror(errno));
}

assert(sizeof(int) >= 4);   // 调试期检查，编译时定义 NDEBUG 后被移除

assert 只用于捕捉”程序员的错误”，不要用它在正式逻辑里处理运行时失败（如文件不存在）。

综合示例#

综合运用 fgets + strtok + strtol + qsort 的小程序，可直接编译运行：

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

static int cmp_desc(const void *a, const void *b) {
    long x = *(const long *)a, y = *(const long *)b;
    return (x < y) - (x > y);    // 降序
}

int main(void) {
    const char *line = "42, 7, 100, 9";
    long nums[16];
    int n = 0;

    // strtok 会修改字符串，先拷贝到可写缓冲区
    char buf[64];
    snprintf(buf, sizeof(buf), "%s", line);

    char *save = NULL;
    for (char *tok = strtok_r(buf, ", ", &save);
         tok != NULL; tok = strtok_r(NULL, ", ", &save)) {
        if (n >= 16) break;
        char *end;
        nums[n] = strtol(tok, &end, 10);
        if (end == tok || *end) {          // 解析失败或有余料则跳过
            fprintf(stderr, "忽略非法字段: %s\n", tok);
            continue;
        }
        n++;
    }

    qsort(nums, (size_t)n, sizeof(long), cmp_desc);

    printf("排序结果(%d 个): ", n);
    for (int i = 0; i < n; i++) printf("%ld ", nums[i]);
    printf("\n");
    return 0;
}

预期输出：

排序结果(4 个): 100 42 9 7

说明：strtok_r 是 POSIX 扩展（C 标准只有不可重入的 strtok）；在 Windows 上对应 strtok_s。

常见陷阱#

• scanf 忘写 &：scanf("%d", x) 是把 x 的值当地址用，运行必然出错。
• 把 char 用来接 fgetc 结果：与 EOF 的比较在 char 为无符号的平台上永远不成立，必须用 int。
• strncpy 之后直接当字符串用：源串更长时目标没有 ‘\0’，后续 strlen/printf 全是未定义行为。
• strcpy/strcat 无边界：缓冲区溢出的头号来源，可变输入一律用 snprintf/strncat 并手动补 ‘\0’。
• qsort 比较函数写 a - b：大整数相减会溢出导致排序结果错乱，用 (a>b)-(a<b)。
• atoi 当解析器：失败只能得到 0，无法区分”0”和”非法输入”，解析外部输入用 strtol。
• memcpy 用于重叠区间：同一数组内前后挪动数据必须用 memmove。
• rand() % N 做均匀抽样：取模有偏；对分布有要求时换更好的随机源。
• malloc 之后不检查 NULL：小分配也必须检查，失败即解引用是未定义行为。

小结#

初学者记住这三点：

1. 找功能先查头文件：输入输出 stdio、字符串 string、内存与转换 stdlib、数学 math。
2. 指针型函数失败返回 NULL（fopen/malloc/strchr），用前必须检查。
3. 字符串的”带 n”版本不是万能保险：strncpy 可能不补 ‘\0’，边界安全首选 snprintf。

进阶者还需注意：

• size_t 无符号回绕、EOF 必须用 int 接、ctype 函数参数要先转 unsigned char——这三类类型层陷阱编译器通常不会警告。
• 解析不可信输入的完整链条：fgets 读行 -> strtok_r 切分 -> strtol 带错误检测，比 scanf/atoi 系列可控得多。
• 比较函数、类型宽限（long 转换）、浮点误差等”约定值”在不同平台上语义一致，是标准库可移植性的核心价值；涉及文件系统、进程、信号时才退回到 POSIX 层，见 POSIX 系统调用速查。