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C語言最佳實踐之庫文件介紹(下)
2022-06-10 11:47:00 【徐福記456】
C語言的庫文件包括：pthread線程、assert斷言、string字符串、time時間、math數學運算、std開頭的標准庫、sys開頭的系統庫等。其中，標准庫有stdalign.h、stdarg.h、stdatomic.h、stdbool.h、stddef.h、stdint.h、stdio.h、stdlib.h。系統庫有sys/mman.h、sys/stat.h、sys/ioctl.h、sys/file.h。本篇文章主要介紹std標准庫和sys系統庫。
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目錄
一、stddef.h預先宏定義
1、offsetof
stddef提供offsetof、size_t、ptrdiff等宏定義。其中offsetof用於獲取成員變量在結構體的偏移比特置。offsetof(t, d)的示例代碼如下：
struct Programmer {
int age;
char* name;
char* post;
};
void print_offset() {
printf("offset of struct =%lu", offsetof(struct Programmer, name));
}2、ptrdiff_t
ptrdiff_t用於計算兩個指針相减的差值。比如一個指針指向字符串的頭，另一個指針指向字符串的尾，那麼兩個指針的差值等於字符串長度。示例代碼如下：
char* str = "hello, world!";
char* ptr_start = str;
char* ptr_end = str + strlen(str);
ptrdiff_t diff = ptr_end - ptr_start;
printf("ptr diff=%td\n", diff);3、__func__與__LINE__
在調試時，我們需要打印哪個文件、哪個函數、哪一行有問題，__FILE__、__func__、__LINE__就派上用場了。如果要獲取當前格式化時間戳，可以用__TIMESTAMP__。這些宏定義都是以雙下劃線開頭。示例代碼如下：
printf("func=%s\n", __func__);
printf("file=%s\n", __FILE__);
printf("line=%d\n", __LINE__);
printf("timestamp=%s\n", __TIMESTAMP__);對應的打印輸出如下：
func=macro_define
file=/Users/frank/Documents/FFmpegAndroid/app/src/main/cpp/test_api.c
line=357
timestamp=Sat Jun 4 17:19:22 2022二、stdio.h
stdio.h提供文件的常用操作，包括：打開、讀寫、關閉、重命名、删除、刷新、標准輸出等等。具體介紹如下錶所示：
| 函數 | 描述 |
| FILE* fopen(const char* filename, const char* mode) | 打開文件，mode包括：只讀、只寫、讀寫、追加等 |
| size_t fread(void* ptr, size_t size, size_t count, FILE* stream) | 讀取文件，讀取指定大小的內容到緩沖區 |
| size_t fwrite(const void* ptr, size_t size, size_t count, FILE* stream) | 寫入文件，如果是讀寫模式會覆蓋原始內容，追加是從末尾開始寫 |
| int fseek(FILE* stream, long offset, int whence) | 移動文件指針，seek模式：SEEK_SET、SEEK_CUR\SEEK_END |
| long ftell(FILE* stream) | 獲取當前比特置，結合fseek使用 |
| int fflush(FILE* stream) | 刷新文件緩沖區 |
| void rewind(FILE* stream) | 重置文件指針到文件開頭 |
| int remove(const char* filename) | 删除文件，返回成功或失敗 |
| int rename(const char* old, const char* new) | 重命名文件 |
| int fclose(FILE* stream) | 關閉文件 |
| int printf(const char* format, ...) | 打印輸出到控制臺 |
| int scanf(const char* format, ...) | 讀入內容 |
| int sprintf(char* s, const char* format, ...) | 輸出到字符串 |
| int fprintf(FILE* stream, const char* format, ...) | 輸出到文件 |
| int vprintf(const char* format, va_list arg) | 輸出到可變參數列錶 |
int getc(FILE* stream) | 從文件獲取一個字符 |
| int putc(int c, FILE* stream) | 寫入一個字符到文件 |
| int feof(FILE* stream) | 判斷文件是否到末尾，eof=-1 |
| int ferror(FILE* stream) | 獲取文件錯誤碼 |
| void clearerr(FILE* stream) | 清除异常信息 |
| void perror(const char* s) | 錯誤描述信息輸出到標准錯誤 |
| void setbuf(FILE* stream, char* buf) | 設置文件緩沖區 |
1、打開文件
char* path = "sdcard/hello.txt";
FILE* file = fopen(path, "wb+");2、讀寫數據
char *buf0 = "Just do it";
size_t size = strlen(buf0);
fwrite(buf0, size, 1, file); // 寫文件
fseek(file, 0, SEEK_SET);
char *buf1 = (char*) malloc(size * sizeof(char));
fread(buf1, size * sizeof(char), 1, file); // 讀文件3、移動文件指針
fseek(file, 10, SEEK_SET);4、獲取文件長度
fseek(file, 0, SEEK_END);
long len = ftell(file);5、重命名文件
rename("sdcard/2.txt", "sdcard/222.txt");6、判斷是否到末尾
int ret = feof(file);7、重置文件到開頭比特置
rewind(file);9、删除文件
remove("sdcard/1.txt");10、關閉文件
fclose(file);三、stdlib.h
stdlib.h提供內存分配與釋放、隨機數的生成、進程退出、執行命令行、字符串轉數值類型、二分查找算法、快排算法、求絕對值等操作。其中內存分配包括：malloc、calloc、realloc、aligned_alloc。具體對比如下錶所示：
| malloc | 內存分配，默認內存對齊 |
| calloc | 內存分配，並且初始化 |
| realloc | 重新分配，拷貝舊內存到新區域 |
| aligned_alloc | 對齊分配，指定對齊單比特大小 |
stdlib相關的函數如下：
void lib_api() {
// 內存分配
void* malloc(size_t size);
// 重新分配內存，拷貝舊內存到新內存空間，釋放舊內存
void* realloc(void* ptr, size_t size);
// 內存對齊分配
void *aligned_alloc(size_t alignment, size_t size);
// 內存分配並且初始化，相當於malloc + memset
void* calloc(size_t nmemb, size_t size);
// 釋放內存
void free(void* ptr);
// 异常的進程終止
void abort(void);
// 注册終止函數，在exit退出時調用
int atexit(void (*func)(void));
// status=0為正常退出，status!=0為异常退出
void exit(int status);
// 字符串轉數值類型
double atof (const char* nptr);
int atoi (const char* nptr);
long atol (const char* nptr);
// 執行命令行，system在原進程開辟新的進程，exec用新進程覆蓋原進程
int system(const char* string);
// 二分法查找
void* bsearch(const void* key, const void* base, size_t nmemb, size_t size,
int (*compar)(const void *, const void *));
// 快排算法
void qsort(void* base, size_t nmemb, size_t size,
int (*compar)(const void *, const void *));
// 求絕對值
int abs(int j);
// 生成隨機數
int rand(void);
void srand(unsigned int seed);
long random();
}四、string.h
string.h提供字符串的常見操作：拷貝、比較、拼接、查找、分割。其中，部分的mem操作和str操作功能一樣。比如，memcpy拷貝內存，可以拷貝結構體、類、數組等，但需要指定長度；strcpy拷貝字符串，僅限於字符串，不需要指定長度。兩者對比如下：
void* memcpy(void* dest, const void* src, size_t n) 拷貝內存，包括結構體、類、數組等 | char* strcpy (char* dest, const char* src) 拷貝字符串 |
int memcmp(const void* str1, const void* str2, size_t n) 內存值比較 | int strcmp (const char* str1, const char* str2) 字符串比較 |
void* memchr(const void* str, int c, size_t n) 內存區域查找字符 | char* strchr(const char* str, int c) 字符串中查找字符 |
其他的常用函數如下：
void string_api() {
// 移動指定長度的源內存到目的內存
void* memmove(void* dest, const void* src, size_t n);
// 設置內存值，用於內存初始化
void* memset(void* str, int c, size_t n);
// 拼接字符串
char* strcat (char* dest, const char* src);
// 查找字符在字符串最後一次出現的比特置
char* strrchr(const char* str, int c);
// 查找str2在str1字符串出現的比特置
char* strstr(const char* str1, const char* str2);
// 分割字符串
char* strtok(char* src, const char* delim);
// 把錯誤碼轉換為字符串
char* strerror(int errnum);
// 獲取字符串長度
size_t strlen(const char* s);
}五、stdatomic.h
1、原子類型
stdatomic.h提供原子操作，線程安全，比鎖更加輕量級。支持的原子類型包括：bool、char、int、short、long等。宏定義如下(包括但不限於)：
typedef _Atomic(bool) atomic_bool;
typedef _Atomic(char) atomic_char;
typedef _Atomic(short) atomic_short;
typedef _Atomic(int) atomic_int;
typedef _Atomic(long) atomic_long;2、原子初始化
使用atomic_init()進行初始化，需要注意，第一個參數是對象的地址，代碼如下：
atomic_int count;
atomic_init(&count, 1);3、原子讀寫
使用atomic_load()進行讀取，atomic_store_explicit()進行寫入，代碼如下：
// 讀取
atomic_load(&count);
// 寫入
atomic_store_explicit(&count, 3, memory_order_seq_cst);4、原子加减
原子運算支持加、减、或、异或、與。以加减運算為例：
atomic_fetch_add(&count, 5);
atomic_fetch_sub(&count, 3);5、原子交換
原子交換步驟分為三步：讀取、比較、寫入。代碼如下：
atomic_exchange(&count, 6);6、內存屏障
原子操作提供fence內存屏障，與關鍵字volatile類似，保證內存有序性。有一個memory_order枚舉類型，包括獲取操作、釋放操作、獲取與釋放、消費操作、無序性、有序性等，具體如下：
typedef enum {
memory_order_relaxed = __ATOMIC_RELAXED,
memory_order_consume = __ATOMIC_CONSUME,
memory_order_acquire = __ATOMIC_ACQUIRE,
memory_order_release = __ATOMIC_RELEASE,
memory_order_acq_rel = __ATOMIC_ACQ_REL,
memory_order_seq_cst = __ATOMIC_SEQ_CST
} memory_order;對應的函數API如下：
atomic_thread_fence(memory_order order);六、stdarg.h
stdarg.h提供可變參數的遍曆，由va_start()、va_arg()和va_end()三個函數組成，還有一個va_list可變參數列錶。其中va_start()是參數列錶的開始，va_arg()是獲取列錶的下一個，va_end()結束遍曆釋放內存。示例代碼如下：
void sum_args(int args, ...) {
int sum = 0;
va_list ap;
va_start(ap, args);
for (int i=0; i<args; i++) {
sum += va_arg(ap, int);
}
va_end(ap);
printf("sum=%d\n", sum);
}大家可以猜猜這個函數調用的結果：
sum_args(3, 11, 22, 33);七、sys/mmap.h
mmap.h提供內存映射的函數，相關函數聲明如下：
/**
* [mmap](http://man7.org/linux/man-pages/man2/mmap.2.html)
* creates a memory mapping for the given range.
*
* Returns the address of the mapping on success,
* and returns `MAP_FAILED` and sets `errno` on failure.
*/
void* mmap(void* addr, size_t size, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
/**
* [munmap](http://man7.org/linux/man-pages/man2/munmap.2.html)
* deletes a memory mapping for the given range.
*
* Returns 0 on success, and returns -1 and sets `errno` on failure.
*/
int munmap(void* addr, size_t size);mmap()函數的第四個參數prot類型包括：讀、寫、執行、無權限。如下圖所示：
第五個參數flag標志比特包括：共享的、私有的、固定的。如下圖所示：
內存映射的示例代碼如下：
void mapping() {
char *buf = "hello, world";
// file：use data in buf
int fd = open("sdcard/hello.txt", O_RDWR);
write(fd, buf, strlen(buf));
// mapping：use data at address
fd = open("sdcard/hello.txt", O_RDWR);
void* address = mmap(0, strlen(buf), PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
}八、sys/stat.h
1、stat結構體
stat.h用於獲取文件狀態信息，包括：設備id、文件大小、文件訪問權限、文件修改時間、文件訪問時間、序列號、文件鏈接的數量等。stat結構體如下：
struct stats {
dev_t st_dev; // ID of device containing file
ino_t st_ino; // file serial number
mode_t st_mode; // mode of file
nlink_t st_nlink; // number of links to the file
uid_t st_uid; // user ID of file
gid_t st_gid; // group ID of file
dev_t st_rdev; // device ID
off_t st_size; // file size in bytes
int st_blksize; // a filesystem-specific preferred I/O block size
long st_blocks; // number of blocks allocated for this object
struct timespec st_atim; // time of last access
struct timespec st_mtim; // time of last data modification
struct timespec st_ctim; // time of last status change
};2、統計文件信息
stat()函數的使用示例如下：
void file_stat() {
struct stat buf;
const char* path = "sdcard/hello.txt";
stat(path, &buf);
printf("file mode:%u\n",buf.st_mode); // 文件訪問權限
printf("file size:%lu\n",buf.st_size); // 文件大小
printf("file access time:%lu\n",buf.st_atime); // 文件訪問時間
printf("file modify time:%lu\n",buf.st_mtime); // 文件修改時間
}九、signal.h
1、信號分類
signal.h是系統提供的信號，包括：非法指令、函數陷阱、异常終止、非法地址、殺掉進程、內存异常、進程退出、浮點异常等。比如，訪問一個空指針，或者已經釋放的指針，或者訪問指針指向的內存區域超出邊界，系統會發送SIGSEGV信號。再比如，使用命令行殺掉進程kill -9 pid，系統會發生SIGKILL信號。具體信號與數值如下錶所示：
| 信號 | 描述 | 信號 | 描述 |
| SIGHUP 1 | 信號掛起 | SIGCHLD 17 | 子進程結束 |
| SIGINT 2 | 信號中斷 | SIGCONT 18 | 進程恢複 |
| SIGQUIT 3 | 進程退出 | SIGSTOP 19 | 程序停止 |
| SIGILL 4 | 非法指令 | SIGTSTP 20 | 停止進程 |
| SIGTRAP 5 | 函數陷阱 | SIGTTIN 21 | 讀取數據 |
| SIGABRT 6 | 异常終止 | SIGTTOU 22 | 寫入數據 |
| SIGBUS 7 | 非法地址 | SIGURG 23 | 緊急處理 |
| SIGFPE 8 | 浮點溢出 | SIGXCPU 24 | 超出CPU限制 |
| SIGKILL 9 | 殺掉進程 | SIGXFSZ 25 | 擴大文件 |
| SIGUSR1 10 | 用戶保留 | SIGVTALRM 26 | 虛擬時鐘 |
| SIGSEGV 11 | 內存异常 | SIGPROF 27 | CPU時鐘 |
| SIGUSR2 12 | 用戶保留 | SIGWINCH 28 | 窗口變化 |
| SIGPIPE 13 | 信號管道 | SIGIO 29 | 文件描述符就緒 |
| SIGALRM 14 | 定時時鐘 | SIGPWR 30 | 電源异常 |
| SIGTERM 15 | 程序結束 | SIGSYS 31 | 非法系統調用 |
| SIGSTKFLT 16 | 處理器棧异常 | SIGRTMIN 32 | 實時信號 |
2、信號捕獲
信號處理函數包括：信號捕獲、中斷、等待、掛起、生成信號、殺掉進程。具體如下：
int sigaction(int signal, struct sigaction* new_action, struct sigaction* old_action); // 捕獲信號
int siginterrupt(int signal, int flag); // 信號中斷
int sigwait(const sigset_t* set, int* signal); // 信號等待
int sigsuspend(const sigset_t* mask); // 信號掛起
int raise(int signal); // 發送信號
int kill(pid_t pid, int signal); // 殺掉進程下面我們來模擬發送信號與捕獲信號的過程：
void process_signal() {
printf("receive sig=%d\n", SIGFPE);
}
void test_signal() {
struct sigaction action;
action.sa_handler = process_signal; // 聲明信號處理函數
sigaction(SIGFPE, &action, NULL); // 捕獲信號
raise(SIGFPE); // 發送信號
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