C语言实例_stdlib.h库函数功能及其用法详解

C/C++
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2024-03-07
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一、前言

C语言作为一种高效、灵活的编程语言，标准库的使用对于开发人员来说是不可或缺的。其中，stdlib.h是C语言中一个重要的标准库头文件，提供了许多常用的函数和工具，以便开发人员能够更加便捷地进行内存管理、字符串处理、随机数生成等操作。本文将对stdlib.h中的各个函数进行全面介绍，包括它们的功能和使用方法，以帮助开发者更好地理解和利用该标准库。

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二、stdlib.h函数介绍

C语言的标准库头文件 stdlib.h 提供了一些常用的函数，用于执行各种实用程序和内存管理任务。

以下是 stdlib.h 头文件中包含的主要函数及其功能的详细介绍：

【1】内存管理函数

  • malloc(size_t size)：动态分配指定大小的内存块，并返回指向该内存块的指针。
  • calloc(size_t num, size_t size)：动态分配 num 个长度为 size 字节的连续内存区域，并将每个字节初始化为零。
  • realloc(void* ptr, size_t size)：重新分配先前分配的内存块 ptr 的大小为 size 字节，并返回指向重新分配后内存块的指针。
  • free(void* ptr)：释放之前通过动态内存分配函数分配的内存。

【2】字符串转换函数

  • atoi(const char* str)：将字符串转换为对应的整数并返回结果。
  • atol(const char* str)：将字符串转换为对应的长整数并返回结果。
  • atof(const char* str)：将字符串转换为对应的双精度浮点数并返回结果。
  • itoa(int value, char* str, int base)：将整数转换为字符串并存储在 str 中。
  • rand(void)：生成伪随机数。
  • srand(unsigned int seed)：设置随机数发生器的种子。

【3】环境控制函数

  • system(const char* command)：执行命令行参数中指定的 shell 命令。
  • exit(int status)：终止程序的执行并返回状态码。
  • _Exit(int status)：终止程序的执行并返回状态码，不进行清理操作。
  • abort(void)：中止程序的执行，并生成一个异常终止信号。

【4】动态分配排序函数

  • qsort(void* base, size_t nmemb, size_t size, int (*compar)(const void*, const void*))：对数组进行快速排序。

【5】字符串处理函数

  • rand_r(unsigned int* seedp)：可重入版本的 rand() 函数。
  • system_l(const char* command, locale_t loc)：根据指定的本地化环境执行命令。
  • posix_memalign(void** memptr, size_t alignment, size_t size)：分配对齐的内存块。
  • aligned_alloc(size_t alignment, size_t size)：分配对齐的内存块。

三、代码示例

3.1 内存管理函数

【1】malloc(size_t size)：动态分配指定大小的内存块，并返回指向该内存块的指针。

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

int main() {
    int* ptr;
    int num = 5;

    // 动态分配一个 int 数组，数组长度为 num
    ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
    
    // 检查内存是否成功分配
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        exit(1);
    }

    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        ptr[i] = i + 1;
    }
    
    // 输出数组的值
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }

    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

【2】calloc(size_t num, size_t size)：动态分配 num 个长度为 size 字节的连续内存区域，并将每个字节初始化为零。

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

int main() {
    int* ptr;
    int num = 5;

    // 动态分配一个 int 数组，数组长度为 num，并初始化为零
    ptr = (int*)calloc(num, sizeof(int));
    
    // 检查内存是否成功分配
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        exit(1);
    }

    // 输出数组的值
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }

    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

【3】realloc(void* ptr, size_t size)：重新分配先前分配的内存块 ptr 的大小为 size 字节，并返回指向重新分配后内存块的指针。

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

int main() {
    int* ptr;
    int num = 5;

    // 动态分配一个 int 数组，数组长度为 num
    ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
    
    // 检查内存是否成功分配
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        exit(1);
    }

    // 输出数组的值
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }

    // 重新分配内存为更大的数组
    num = 10;
    ptr = (int*)realloc(ptr, num * sizeof(int));

    // 使用重新分配的内存
    for (int i = 5; i < num; i++) {
        ptr[i] = i + 1;
    }

    // 输出数组的值
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }

    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

【4】free(void* ptr)：释放之前通过动态内存分配函数分配的内存。

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

int main() {
    int* ptr;

    // 动态分配一个 int 数组
    ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    
    // 检查内存是否成功分配
    if (ptr == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        exit(1);
    }

    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        ptr[i] = i + 1;
    }
    
    // 输出数组的值
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }

    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

以上是这些内存管理函数的基本用法。动态内存管理函数允许在程序运行时根据需要分配或释放内存，提供了更灵活和高效地使用内存的方式。重要的是记得在使用完毕后及时释放内存，以避免内存泄漏问题。

3.2 字符串转换与随机数函数

这里是给这些字符串转换函数和随机数函数的例子和用法介绍：

【1】atoi(const char* str)：将字符串转换为对应的整数并返回结果。

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

int main() {
    const char* str = "12345";
    int num = atoi(str);
    
    printf("字符串转换为整数：%d\n", num);

    return 0;
}

【2】atol(const char* str)：将字符串转换为对应的长整数并返回结果。

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

int main() {
    const char* str = "1234567890";
    long num = atol(str);
    
    printf("字符串转换为长整数：%ld\n", num);

    return 0;
}

【3】atof(const char* str)：将字符串转换为对应的双精度浮点数并返回结果。

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

int main() {
    const char* str = "3.14159";
    double num = atof(str);
    
    printf("字符串转换为双精度浮点数：%f\n", num);

    return 0;
}

【4】itoa(int value, char* str, int base)：将整数转换为字符串并存储在 str 中。

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

int main() {
    int num = 12345;
    char str[20];
    
    itoa(num, str, 10);
    
    printf("整数转换为字符串：%s\n", str);

    return 0;
}

【5】rand(void)：生成伪随机数。

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

int main() {
    srand(time(NULL)); // 设置随机数发生器的种子为当前时间
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int randomNum = rand();
        printf("随机数：%d\n", randomNum);
    }

    return 0;
}

【6】srand(unsigned int seed)：设置随机数发生器的种子。

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

int main() {
    srand(123); // 设置随机数发生器的种子为 123
    
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int randomNum = rand();
        printf("随机数：%d\n", randomNum);
    }

    return 0;
}

3.3 环境控制函数

【1】system(const char* command)：执行命令行参数中指定的 shell 命令。

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

int main() {
    const char* command = "ls -l"; // 列出当前目录下的文件和文件夹
    
    int status = system(command);
    
    if (status == -1) {
        printf("命令执行失败。\n");
    } else {
        printf("命令执行成功。\n");
    }

    return 0;
}

【2】exit(int status)：终止程序的执行并返回状态码。

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

int main() {
    printf("程序开始执行。\n");
    
    // 退出程序，并返回状态码 0
    exit(0);
    
    printf("此行不会被执行。\n");

    return 0;
}

【2】_Exit(int status)：终止程序的执行并返回状态码，不进行清理操作。

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

int main() {
    printf("程序开始执行。\n");
    
    // 退出程序，并返回状态码 0，不进行清理操作
    _Exit(0);
    
    printf("此行不会被执行。\n");

    return 0;
}

【3】abort(void)：中止程序的执行，并生成一个异常终止信号。

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

int main() {
    printf("程序开始执行。\n");
    
    printf("触发异常终止信号。\n");
    abort();
    
    printf("此行不会被执行。\n");

    return 0;
}

3.4 动态分配排序函数

这里是关于动态分配排序函数的例子和用法介绍：

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

// 比较函数，用于指定排序顺序
int compareFunc(const void* a, const void* b) {
    // 将输入的指针转换为所需的类型
    int num1 = *(int*)a;
    int num2 = *(int*)b;

    // 按升序进行排序
    if (num1 < num2) {
        return -1;
    } else if (num1 > num2) {
        return 1;
    } else {
        return 0;
    }
}

int main() {
    int arr[] = {5, 2, 8, 6, 1, 3, 9, 7, 4};
    int size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    printf("排序前的数组：");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 使用 qsort 对数组进行排序
    qsort(arr, size, sizeof(int), compareFunc);

    printf("排序后的数组：");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

在这个例子中，定义了一个整型数组 arr，包含了一些无序的元素。使用 qsort 函数对该数组进行排序。qsort 函数接收四个参数：要排序的数组的起始地址 base，数组中元素的个数 nmemb，每个元素的字节大小 size，以及一个比较函数 compar。比较函数用于指定排序的顺序。

在compareFunc中，传入的指针转换为 int 类型，并按照升序排序的规则进行比较。如果第一个元素小于第二个元素，返回 -1；如果第一个元素大于第二个元素，返回 1；如果两个元素相等，返回 0。

最后，输出排序前和排序后的数组，可以看到数组已经按升序进行了排序。

qsort 函数是对 C 标准库的一部分，经过高效的优化，可以处理不同类型的数组，而不仅仅是整型数组。

3.5 字符串处理函数

【1】rand_r(unsigned int* seedp)：可重入版本的 rand() 函数，用于生成伪随机数。

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

int main() {
    unsigned int seed = time(NULL);

    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        int randomNum = rand_r(&seed);
        printf("%d ", randomNum);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

在这个例子中，使用 rand_r 函数生成了5个伪随机数。通过向 rand_r 函数传递一个指向种子的指针，确保每次调用 rand_r 函数时都使用不同的种子，使其成为可重入函数。

【2】system_l(const char* command, locale_t loc)：根据指定的本地化环境执行命令。

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

int main() {
    const char* command = "ls -l"; // 列出当前目录下的文件和文件夹
    locale_t loc = newlocale(LC_ALL_MASK, "", NULL);

    int status = system_l(command, loc);

    if (status == -1) {
        printf("命令执行失败。\n");
    } else {
        printf("命令执行成功。\n");
    }

    freelocale(loc);

    return 0;
}

在这个例子中，使用 system_l 函数执行了一个命令 ls -l，该命令用于列出当前目录下的文件和文件夹。使用 newlocale 函数创建了一个新的本地化环境 loc，并将其作为参数传递给 system_l 函数。最后，使用 freelocale 函数释放本地化环境。

【3】posix_memalign(void memptr, size_t alignment, size_t size)：分配对齐的内存块。

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

int main() {
    void* memPtr;
    size_t alignment = 16; // 对齐要求为16字节
    size_t size = 32; // 分配32字节的内存

    int status = posix_memalign(&memPtr, alignment, size);

    if (status == 0) {
        printf("内存分配成功。\n");
        
        // 使用分配的内存
        
        free(memPtr);
    } else {
        printf("内存分配失败。\n");
    }

    return 0;
}

在这个例子中，使用 posix_memalign 函数分配了一个对齐的内存块，要求对齐要求为16字节，分配32字节的内存。通过传递指向 memPtr 的指针，可以在函数内部接收分配的内存地址。最后，使用 free 函数释放内存。

【4】aligned_alloc(size_t alignment, size_t size)：分配对齐的内存块。

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

int main() {
    size_t alignment = 16; // 对齐要求为16字节
    size_t size = 32; // 分配32字节的内存

    void* memPtr = aligned_alloc(alignment, size);

    if (memPtr != NULL) {
        printf("内存分配成功。\n");
        
        // 使用分配的内存
        
        free(memPtr);
    } else {
        printf("内存分配失败。\n");
    }

    return 0;
}

在这个例子中，使用 aligned_alloc 函数分配了一个对齐的内存块，要求对齐要求为16字节，分配32字节的内存。通过将返回的内存指针赋值给 memPtr 变量，可以获得分配的内存地址。最后，使用 free 函数释放内存。

这些字符串处理函数提供了在 C 语言中处理字符串和执行相关操作的功能。使用这些函数时需要小心内存管理，避免出现内存泄漏等问题。

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