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C语言API说明

C语言的标准库API是C语言编程的核心，提供了一系列函数和接口来实现内存管理、输入输出、字符串处理、数学运算等基本功能，本文将详细介绍标准C语言API的各个方面，帮助开发者构建高效、可靠的程序。

一、基础数据类型与内存管理

1. 基本数据类型

C语言中的基本数据类型包括整型、浮点型和字符型，整型变量用于存储整数，包括int、long、short、long long等类型，每种整型的具体大小可以通过sizeof运算符获取，浮点型变量用于存储小数，常见的有float、double和long double，字符型变量用于存储单个字符，使用char类型表示，它可以用单引号括起来的字符表示，如'a'、'1'或者转义字符如`'

'`。

#include <stdio.h>
int main () {
    int integer = 1234;          // 声明并初始化一个整型变量
    double floating = 123.456;   // 声明并初始化一个双精度浮点型变量
    char character = 'A';        // 声明并初始化一个字符型变量
    printf("Integer: %d
", integer);
    printf("Floating point: %f
", floating);
    printf("Character: %c
", character);
    return 0;
}

2. 类型修饰符与限定词

类型修饰符可以用来改变基本数据类型的属性。const修饰符可以用来声明一个常量，这意味着一旦变量被初始化之后，它的值就不可以被改变。volatile修饰符表示变量的值可能在程序控制之外被改变，编译器在优化代码时不能假定该变量的值不变。signed和unsigned用于指定整型变量是有符号还是无符号。

限定词如static、extern、auto和register用于指定变量的存储期和链接属性，静态存储期意味着变量在程序运行期间一直存在，而自动存储期指的是变量在声明它们的代码块被执行时存在，执行完毕后变量消失。register关键字建议编译器尽可能将变量存储在寄存器中以加快访问速度。

#include <stdio.h>
int main () {
    const int a = 10;   // 声明一个整型常量
    volatile int b = 20; // 声明一个易变的整型变量
    unsigned int c = 30; // 声明一个无符号整型变量
    // 下面的代码尝试修改常量a的值，会引发编译错误
    // a = 15;
    printf("a: %d
", a);
    printf("b: %d
", b);
    printf("c: %u
", c);   // 使用%u格式符打印无符号整型
    return 0;
}

3. 内存管理函数

C语言提供了动态内存分配函数malloc,calloc,realloc和free来管理程序的内存，这些函数在stdlib.h头文件中定义。malloc(size_t size)用于分配size个字节的未初始化内存。calloc(size_t nmemb, size_t size)分配nmemb个大小为size字节的对象，所有分配的内存会被初始化为零。realloc(void *ptr, size_t size)用于重新分配ptr指向的内存块的大小为size字节，如果ptr是NULL，realloc的行为与malloc相同。free(void *ptr)释放之前动态分配的ptr指向的内存。

动态内存管理允许程序在运行时决定内存分配，适用于不确定需要多少内存或何时需要内存的情况，但它也带来了潜在的内存泄漏和访问越界的风险。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main () {
    int *arr, n, i;
    printf("Enter number of elements: ");
    scanf("%d", &n);
    // 动态分配内存以存储n个整数
    arr = (int *) malloc(n * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!
");
        return 1;
    }
    // 初始化数组
    for (i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i;
    }
    // 打印数组内容
    for (i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    // 释放动态分配的内存
    free(arr);
    return 0;
}

4. 静态与自动存储期

在C语言中，变量根据其声明的位置可以拥有静态或自动存储期，静态存储期的变量在程序运行期间一直存在，而自动存储期的变量在声明它们的代码块被执行时存在，执行完毕后变量消失。

#include <stdio.h>
void func() {
    static int staticVar = 0; // 静态变量，只在第一次调用时初始化
    int autoVar = 0;          // 自动变量，每次调用都会重新初始化
    staticVar++;
    autoVar++;
    printf("Static variable: %d, Auto variable: %d
", staticVar, autoVar);
}
int main() {
    func(); // 输出：Static variable: 1, Auto variable: 1
    func(); // 输出：Static variable: 2, Auto variable: 1
    return 0;
}

二、输入输出操作

1. 标准输入输出函数

C语言的标准输入输出函数包括printf、scanf、gets、puts等，这些函数在stdio.h头文件中定义。printf用于格式化输出，可以将不同类型的数据输出到标准输出（通常是屏幕）。scanf用于从标准输入（通常是键盘）读取格式化输入的数据。

#include <stdio.h>
int main () {
    int integer;
    printf("Enter an integer: ");
    scanf("%d", &integer);
    printf("You entered: %d
", integer);
    return 0;
}

2. 文件操作函数

C语言提供了一组文件操作函数，包括fopen、fclose、fread、fwrite、fseek、ftell等，这些函数在stdio.h头文件中定义。fopen用于打开一个文件，返回一个指向FILE对象的指针。fclose用于关闭一个文件。fread和fwrite分别用于从文件读取数据和向文件写入数据。fseek用于移动文件指针，ftell用于获取当前文件指针的位置。

#include <stdio.h>
int main () {
    FILE *file = fopen("example.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        printf("Error opening file
");
        return 1;
    }
    char buffer[256];
    while (fgets(buffer, sizeof(buffer), file) != NULL) {
        printf("%s", buffer);
    }
    fclose(file);
    return 0;
}

三、字符串处理

C语言提供了一系列字符串处理函数，包括strlen、strcpy、strcat、strcmp、strchr、strstr等，这些函数在string.h头文件中定义。strlen用于计算字符串的长度。strcpy用于复制字符串，strcat用于连接字符串。strcmp用于比较两个字符串，strchr用于查找字符在字符串中的第一次出现，strstr用于查找子字符串在字符串中的第一次出现。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
int main () {
    char str1[] = "Hello, ";
    char str2[] = "World!";
    strcat(str1, str2); // 连接字符串
    printf("Concatenated string: %s
", str1);
    return 0;
}

四、数学函数与错误处理

1. 数学函数

C语言的数学函数包括基本的算术运算、三角函数、指数和对数函数等，这些函数在math.h头文件中定义，常用的数学函数有sin、cos、tan、log、exp、pow、sqrt等。

#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main () {
    double radians = 1.57; // 大约等于90度
    double result = sin(radians);
    printf("Sine of radians: %f
", result);
    return 0;
}

2. 错误处理机制

C语言的错误处理通常通过返回错误码来实现，标准库函数通常会在出错时返回非零值，并在全局变量errno中设置错误码，开发者可以使用perror或strerror函数来获取错误描述，还可以使用assert宏来进行调试时的断言检查。

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main () {
    FILE *file = fopen("nonexistent.txt", "r");
    if (file == NULL) {
        perror("Error opening file"); // 打印错误信息
        return errno; // 返回错误码
    }
    fclose(file);
    return 0;
}

五、结构体与联合体

1. 结构体的定义与使用

结构体是一种用户自定义的数据类型，可以包含不同类型的数据成员，结构体的定义使用关键字struct，可以嵌套定义其他结构体，结构体变量的使用方式与基本数据类型类似，可以通过点操作符访问其成员。

#include <stdio.h>
struct Point {
    int x;
    int y;
};
int main () {
    struct Point p1 = {10, 20};
    printf("Point: (%d, %d)
", p1.x, p1.y);
    return 0;
}

2. 联合体的定义与使用

联合体也是一种用户自定义的数据类型，与结构体不同的是，联合体的所有成员共享同一段内存空间，联合体的定义使用关键字union，可以嵌套定义其他联合体，联合体变量的使用方式与结构体类似，但只能直接访问最后一个被赋值的成员。

#include <stdio.h>
union Data {
    int i;
    float f;
    char str[20];
};
int main () {
    union Data data;
    data.i = 10;
    printf("Data.i: %d
", data.i);
    data.f = 220.5;
    printf("Data.f: %f
", data.f);
    strcpy(data.str, "C language");
    printf("Data.str: %s
", data.str);
    return 0;
}

六、指针与内存操作

1. 指针的基本概念与操作

指针是C语言的一个重要特性，它允许直接操作内存地址，指针变量存储的是另一个变量的地址，可以通过解引用操作符（*）访问指针所指向的变量，指针可以进行算术运算，如递增和递减，以遍历数组或动态分配的内存块，指针还可以指向函数，形成函数指针。

#include <stdio.h>
int main () {
    int num = 100;
    int *ptr = &num; // 指针指向num的地址
    printf("Value of num: %d
", num);
    printf("Address of num: %p
", (void *)&num);
    printf("Value of pointer: %p
", (void *)ptr);
    printf("Value pointed to by pointer: %d
", *ptr);
    return 0;
}

2. 指针与数组的关系

在C语言中，数组名实际上是指向数组第一个元素的指针，数组可以通过指针进行遍历和操作，指针算术运算使得指针可以方便地遍历数组元素，指针还可以用于动态分配和释放多维数组的内存。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main () {
    int n = 5;
    int *arr = (int *) malloc(n * sizeof(int)); // 动态分配数组内存
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!
");
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        arr[i] = i * i; // 初始化数组元素
    }
    for (int i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", arr[i]); // 打印数组元素
    }
    free(arr); // 释放数组内存
    return 0;
}

3. 指针与函数参数传递

指针作为函数参数可以实现按引用传递，使得函数可以修改实际参数的值，指针还可以用于实现回调函数，增强程序的灵活性和可扩展性，指针参数在函数内部可以直接修改其所指向的变量的值，从而实现数据的双向传递。

#include <stdio.h>
void modifyValue(int *ptr) {
    *ptr += 5; // 修改指针所指向的值
}
int main () {
    int num = 10;
    printf("Before: %d
", num);
    modifyValue(&num); // 传递num的地址
    printf("After: %d
", num);
    return 0;
}

七、高级数据结构与算法实现

1. 链表的操作与实现

链表是一种常见的数据结构，由一系列节点组成，每个节点包含数据部分和指向下一个节点的指针，链表可以分为单向链表、双向链表和循环链表，链表的操作包括插入、删除、查找和遍历等，链表的优点是插入和删除操作高效，缺点是随机访问性能较差。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct Node {
    int data;
    struct Node *next;
};
// 创建新节点
struct Node* createNode(int data) {
    struct Node *newNode = (struct Node*) malloc(sizeof(struct Node));
    newNode->data = data;
    newNode->next = NULL;
    return newNode;
}
// 插入节点到链表头部
void insertAtHead(struct Node **head, int data) {
    struct Node *newNode = createNode(data);
    newNode->next = *head;
    *head = newNode;
}
// 打印链表
void printList(struct Node *head) {
    struct Node *temp = head;
    while (temp != NULL) {
        printf("%d -> ", temp->data);
        temp = temp->next;
    }
    printf("NULL
");
}
// 主函数测试链表操作
int main() {
    struct Node *head = NULL;
    insertAtHead(&head, 3);
    insertAtHead(&head, 2);
    insertAtHead(&head, 1);
    printList(head); // 输出：1 -> 2 -> 3 -> NULL
    return 0;
}

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