C语言 - 常见的标准库头文件

前言

C 语言的标准库头文件提供了丰富的功能，涵盖了输入输出、字符串处理、数学运算、内存管理等多个方面。下面是对各个头文件的详细介绍，包括功能、常见函数或宏的用法示例。

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1. <stdio.h> - 标准输入输出库

提供了标准输入（键盘）、标准输出（屏幕）、文件操作等功能。

常见函数：

函数	说明
printf()	向标准输出设备（屏幕）打印格式化字符串
scanf()	从标准输入设备（键盘）读取格式化数据
putchar()	输出单个字符
getchar()	读取单个字符
fgets()	读取字符串（防止缓冲区溢出）
puts()	输出字符串
fopen()	打开文件
fclose()	关闭文件
fread()	读取文件数据
fwrite()	写入数据到文件
fprintf()	向文件输出格式化字符串
fscanf()	从文件读取格式化数据

示例：

#include <stdio.h>  // 标准输入输出库，用于 printf
int main() {
    printf("Hello, World!\n"); // 输出 Hello, World!
    return 0;
}

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2. <stdlib.h> - 标准库

提供了动态内存管理、进程控制、类型转换等功能。

常见函数：

函数	说明
malloc()	分配动态内存
calloc()	分配动态内存并初始化
realloc()	重新分配动态内存
free()	释放动态分配的内存
atoi()	字符串转换为整数
atof()	字符串转换为浮点数
rand()	生成随机数
exit()	终止程序
system()	执行系统命令

示例：

#include <stdlib.h>  // 引入标准库
#include <stdio.h>   // 标准输入输出库

int main() {
    // 动态分配 5 个整数大小的内存
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int) * 5);
    if (ptr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!\n");
        exit(1);  // 终止程序
    }

    // 赋值并打印数组
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        ptr[i] = i * 10;
        printf("ptr[%d] = %d\n", i, ptr[i]);
    }

    free(ptr);  // 释放内存
    return 0;
}

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3. <string.h> - 字符串处理

提供了字符串复制、比较、拼接等操作。

常见函数：

函数	说明
strlen()	计算字符串长度
strcpy()	复制字符串
strncpy()	复制指定长度的字符串
strcmp()	比较字符串
strcat()	拼接字符串
strchr()	查找字符在字符串中的位置
strstr()	查找子字符串
memset()	用指定值填充内存
memcpy()	拷贝内存数据

示例：

#include <stdio.h>   // 标准输入输出库
#include <string.h>  // 引入字符串处理库

int main() {
    char str1[20] = "Hello, ";  // 定义字符串
    char str2[] = "World!";
    
    strcat(str1, str2);  // 拼接 str2 到 str1
    printf("Concatenated String: %s\n", str1);  // 输出拼接后的字符串
    
    printf("Length of string: %lu\n", strlen(str1));  // 计算字符串长度
    
    return 0;
}

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4. <math.h> - 数学运算

提供了常见数学计算函数，如三角函数、指数函数等。

常见函数：

函数	说明
sqrt()	计算平方根
pow()	计算指数
sin(), cos(), tan()	三角函数
log(), exp()	对数和指数函数
fabs()	计算绝对值

示例：

#include <stdio.h> // 标准输入输出库，用于 printf
#include <math.h>  // 引入数学库

int main() {
    double x = 16.0;

    // 计算平方根
    printf("Square root of %.2f is %.2f\n", x, sqrt(x));

    // 计算 2 的 3 次方
    printf("2^3 = %.2f\n", pow(2, 3));

    return 0;
}

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5. <time.h> - 时间处理

提供了时间计算、格式化等功能。

常见函数：

函数	说明
time()	获取当前时间（秒数）
clock()	获取 CPU 运行时间
difftime()	计算两个时间的差值
strftime()	格式化时间
localtime()	将时间转换为本地时间

示例：

#include <stdio.h>   // 标准输入输出库，用于 printf
#include <time.h>    // 时间相关的库，提供 time() 和 localtime()

int main() {
    // 获取当前系统时间（从 1970-01-01 00:00:00 UTC 以来的秒数）
    time_t now = time(NULL);

    // 将 time_t 转换为本地时间（受系统时区影响）
    struct tm *beijing_time = localtime(&now);  

    // 格式化输出当前北京时间
    printf("当前北京时间: %04d-%02d-%02d %02d:%02d:%02d\n",
           beijing_time->tm_year + 1900, // 年份从 1900 开始计数，所以要 +1900
           beijing_time->tm_mon + 1,     // 月份从 0 开始计数，所以要 +1
           beijing_time->tm_mday,        // 日期 (1-31)
           beijing_time->tm_hour,        // 小时 (0-23)
           beijing_time->tm_min,         // 分钟 (0-59)
           beijing_time->tm_sec);        // 秒 (0-59)

    return 0;  // 程序正常退出
}

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6. <ctype.h> - 字符处理

提供了检查字符类型的函数，如字母、数字等。

常见函数：

函数	说明
isalpha()	是否为字母
isdigit()	是否为数字
islower()	是否为小写字母
isupper()	是否为大写字母
tolower()	转换为小写
toupper()	转换为大写

示例：

#include <stdio.h>  // 标准输入输出库
#include <ctype.h>  // 引入字符处理库

int main() {
    char c = 'A';

    // 将字符转换为小写
    printf("Lowercase of %c is %c\n", c, tolower(c));

    return 0;
}

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7. <assert.h> - 断言

用于调试时检查程序状态。

常见宏：

宏	说明
assert(expression)	如果表达式为假，程序终止

示例：

#include <stdio.h>   // 标准输入输出库
#include <assert.h>  // 引入断言库

int main() {
    int x = 10;
    
    // 断言 x 必须大于 0
    assert(x > 0);
    
    printf("断言失败，程序终止...\n");

    return 0;
}

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8. <errno.h> - 错误处理

提供了错误码支持。

常见变量：

变量	说明
errno	存储最近的错误代码

示例：

#include <stdio.h>  // 标准输入输出库
#include <errno.h>  // 引入错误处理库
#include <string.h>

int main() {
    FILE *fp = fopen("nonexistent.txt", "r");  // 试图打开一个不存在的文件
    if (!fp) {
        printf("Error: %s\n", strerror(errno));  // 输出错误信息
    }
    
    return 0;
}

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总结

C 语言的标准库头文件提供了丰富的功能，能够大大提高开发效率。掌握这些库的使用，可以更轻松地处理输入输出、数学运算、字符串处理、文件操作等任务。

(完)