附录整理：语法与标准库速查

这份笔记用于写程序时查阅规则、选择接口。内容以 C11 为背景，保留常用知识和关键边界；整数类型、字符编码、浮点计算与 C/C++ 差异另作一份扩展笔记。

1. 运算符优先级与结合性

下表从高到低排列。同一行中的运算符属于同一优先级。

表格便于记忆，表达式是否合法仍受语法和类型约束。条件运算符中间的表达式按加了括号的方式解析。

1.1 优先级不规定求值顺序

a() + b() * c() 先按照乘法优先的规则组织表达式，但不表示函数必定按照 b、c、a 的顺序调用。

结合性也只决定如何分组。例如 a = b = 3 按 a = (b = 3) 理解。

/* 错误示例：C11 中对 i 的修改与读取没有所需的先后关系。 */
/* printf("%d %d\n", i++, i); */

用独立语句表达需要确定顺序的修改，不要依靠参数位置或括号猜测执行顺序。

1.2 有明确先后关系的常见形式

函数实参之间的逗号是分隔符，不能套用逗号运算符的顺序规则。

1.3 常用括号形式

if ((flags & mask) == 0) {
    /* 所选位全部为零。 */
}

if (p != NULL && p->next != NULL) {
    /* 只有 p 有效时才访问 p->next。 */
}

flags & mask == 0 会按 flags & (mask == 0) 分组。即使记得优先级，也应在容易误读的混合表达式里主动加括号。

2. 算术、逻辑与位操作的边界

• 整数除法向零截断，如 -7 / 3 == -2，-7 % 3 == -1。
• 整数除数不能为零。商无法由结果类型表示时也有问题，例如某些实现中的 INT_MIN / -1。
• 有符号整数溢出是未定义行为；无符号整数按其范围大小取模。
• !、关系运算和相等比较产生 int 类型的 0 或 1。逻辑运算与按位运算不能混为一谈。
• 移位量必须非负，并小于提升后左操作数类型的位宽。
• 对无符号类型做位操作更容易表达预期；C11 中负有符号值右移的结果由实现定义。

混合有符号与无符号比较时，要先确认通常算术转换产生的类型。不能假设负数永远小于无符号正数。

复合赋值 a += b 会将左操作数定位一次，不能把它机械地看作所有场合都完全等价于重复书写左边的 a = a + b。

3. 类型、大小与对齐

3.1 标准保证和常见实现应分开

大小满足 sizeof(char) <= sizeof(short) <= sizeof(int) <= sizeof(long) <= sizeof(long long)。相邻类型可能一样大。

“一字节”在 C 中不必等于八位；CHAR_BIT 至少为 8。对象大小与类型的数值位数也不能简单等同，某些表示可能含填充位。

3.2 常用通用类型与宏

offsetof 不能用于位字段。结构可能含有填充，不能把各成员大小相加就当作整个结构大小。

3.3 sizeof 的两个常见误区

对非变长数组类型的普通表达式，sizeof 不会执行操作数中的副作用。变长数组相关情形需要另外考虑，不能把“不求值”当作没有例外的规则。

函数形参中的 int a[] 会调整为指针，因此函数内的 sizeof a 是指针大小。要把元素数量作为独立参数传入。

4. 存储期、作用域与链接

extern int count; 通常只声明；文件作用域的 extern int count = 0; 是定义。不能说 extern 永远只能声明。

块作用域的 _Thread_local 声明需要配合 static 或 extern。线程存储期说明每个线程有自己的对象，不能用来替代共享数据的同步。

局部指针变量离开作用域，不会自动释放它指向的动态内存。反过来，局部变量的地址被保存下来，也不会延长那个局部对象的生命期。

4.1 限定符

restrict 不是“全程序绝对不许存在第二个指针”的简单规定。涉及被修改对象时，要符合它对基于受限指针的访问路径提出的要求。

5. 程序流速查

switch 的 case 需要整数常量表达式，不能直接使用字符串。若 switch 位于循环内，其中的 continue 可以作用于外层循环；不能说 switch 内在语法上永远不能出现 continue。

C11 中声明不是语句。标签后若需要声明，可以先引入一个复合语句块。

6. 根据任务选择标准头文件

这份表用于定位功能。C11 的线程、原子、复数等能力有相应可选条件；头文件列表不能理解为每一种 C 环境都无条件提供全部功能。

7. 标准输入输出：先看返回值

正确的读取循环由实际读取结果驱动：

int ch;
while ((ch = fgetc(fp)) != EOF) {
    /* 处理 ch。 */
}
if (ferror(fp)) {
    /* 报告读取错误。 */
}

while (!feof(fp)) 不能提前判断下一次读取是否成功。fflush() 用于输出相关场景，不能把 fflush(stdin) 当作标准 C 的清理输入方法。gets() 已不属于 C11，应使用带容量的读取方式。

7.1 格式与实参类型必须匹配

读取 char name[20] 时，%19s 才为末尾空字符留出空间；它遇到空白就停止，不能用来读取完整的带空格姓名。字符数组直接作为缓冲区参数，不应把它与单个字符需要的 &ch 混淆。

scanf 读取数字时，如果结果超出目标对象可表示范围，不能仅依赖返回值安全处理。需要可靠范围检查时，先读字符串，再使用 strto... 系列。

7.2 用 snprintf 控制输出容量

int n = snprintf(buffer, sizeof buffer, "%s:%d", name, port);
if (n < 0) {
    /* 编码或格式化错误。 */
} else if ((size_t)n >= sizeof buffer) {
    /* 输出发生截断。 */
}

非负返回值表示容量足够时本应生成的字符数，不包含末尾空字符。sizeof buffer 必须确实是数组容量，不能是形参指针的大小。

8. 字符串与内存操作

8.1 先判断是否需要空字符结尾

不要向 strtok() 传入字符串字面量。需要同时解析多个序列或保留空字段时，应该重新设计解析过程；strtok_r() 也不能假设是 ISO C11 自带接口。

8.2 按字节处理，不依赖空字符

char text[16] = "abcdef";
memmove(text, text + 2, strlen(text + 2) + 1);
/* text 变成 "cdef"，复制范围包含末尾空字符。 */

结构中的填充字节可能不同，因此不能无条件用 memcmp() 判断两个结构是否具有相同的业务内容。全零字节模式也不能在所有 C 实现上保证等同于空指针或浮点零值。

9. 数字转换：验证转换范围与整行内容

转换前把 errno 清零，转换后检查：是否读到数字、是否报告范围错误、末尾是否仍有不允许的内容、数值是否符合业务范围。

atoi() 不能清楚区分合法的零和转换失败，也缺少完善的范围报告，不适合验证外部输入。

下面的完整示例允许首尾空白，要求整条字符串表示一个十进制 int。失败时不修改输出对象。

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

static bool parse_int(const char *text, int *out)
{
    char *end;
    errno = 0;
    long value = strtol(text, &end, 10);
    if (end == text || errno == ERANGE || value < INT_MIN || value > INT_MAX) {
        return false;
    }
    while (isspace((unsigned char)*end)) {
        ++end;
    }
    if (*end != '\0') {
        return false;
    }
    *out = (int)value;
    return true;
}

int main(void)
{
    const char *samples[] = {" 42 ", "-17", "12x", "", "999999999999999999999999"};
    for (size_t i = 0; i < sizeof samples / sizeof samples[0]; ++i) {
        int value = 0;
        if (parse_int(samples[i], &value)) {
            printf("[%s] -> %d\n", samples[i], value);
        } else {
            printf("[%s] -> invalid\n", samples[i]);
        }
    }
    return 0;
}

无符号转换函数也可能接受负号，不能仅因为函数名含有 u 就认为负数输入一定被拒绝。若业务不允许负号，应在解析规则中明确拒绝。

errno 不会在每次成功调用后自动变回零，也不是所有标准库函数都通过它报告失败；应按相应接口的规定使用。

10. 动态内存、排序与程序结束

10.1 内存分配

/* 已包含 <stdint.h>、<stdlib.h>。
   values 为 int *；new_count 为 size_t，且大于零。 */
if (new_count <= SIZE_MAX / sizeof *values) {
    int *temp = realloc(values, new_count * sizeof *values);
    if (temp != NULL) {
        values = temp;
    } else {
        /* values 仍指向原来的有效块。 */
    }
}

统一把零容量作为单独情况处理，不依赖 realloc(p, 0) 执行某一种固定动作。只释放原始分配块的有效入口一次，不能释放数组中间位置、自动变量或字符串字面量。

10.2 排序与查找

qsort() 接收数组、元素数、元素大小和比较函数；bsearch() 在已经按照相同规则排序的数组中查找。

static int compare_int(const void *left, const void *right)
{
    int a = *(const int *)left;
    int b = *(const int *)right;
    return (a > b) - (a < b);
}

不要直接 return a - b;，减法可能溢出。结构排序要明确比较哪些成员；字符串指针数组的比较函数接收的是指向数组元素的指针，需要先取得其中的字符串指针。

标准不保证 qsort() 是稳定排序，也不规定必须使用快速排序算法。bsearch() 遇到重复键时不保证返回第一个匹配元素。

10.3 程序终止

从最初的 main() 调用返回，相当于以相应状态调用 exit()。可移植地表达成功与失败，使用 EXIT_SUCCESS、EXIT_FAILURE。

_Noreturn 或 <stdnoreturn.h> 中的 noreturn 表示函数不会正常返回给调用者；它既不是 void 的同义词，也不是让编译器自动终止函数。

11. 字符分类、本地化与断言

11.1 ctype.h

常见分类接口有 isalpha、isdigit、isalnum、isspace、isblank、isupper、islower、isprint、ispunct、isxdigit；转换接口有 toupper、tolower。

分类结果是零或非零，不要求“真”一定等于 1。

普通 char 取出的值应先转成 unsigned char，再交给这些接口。getchar() 读出的 int 则应先保留并检查 EOF，不要先转为 char 而丢失结束标记。

int upper = toupper((unsigned char)text[i]);

这些函数受相应本地化规则影响，不是完整的 Unicode 文本处理工具。

11.2 locale.h

程序开始时处于 "C" 本地化环境。setlocale(LC_ALL, "") 尝试采用环境指定的本地化设置，失败时返回 NULL。

本地化变化可能影响机器可读数据的解析和输出。不要假设所有地区都用点号作为小数点。localeconv() 可以取得格式约定，返回的数据由库管理。

11.3 assert.h

assert(condition) 检查运行时的不变量；定义 NDEBUG 后断言表达式可能完全不求值，因此不能在里面放必要的读写或分配动作。

_Static_assert(condition, "message") 是 C11 的编译期声明，要求整数常量表达式；<assert.h> 还提供 static_assert 宏别名。

外部输入错误应通过实际检查处理，不能只依赖可能被禁用的断言。

12. 数学接口速查

许多数学函数具有 double、float、long double 三组版本，例如 sqrt、sqrtf、sqrtl。三角函数使用弧度。

abs() 是 <stdlib.h> 中的整数绝对值接口，不能用来代替浮点的 fabs()。某类型的最小负值若没有对应的正值，直接求其整数绝对值也不能得到可表示结果。

atan2(y, x) 同时利用横纵坐标判定象限，不应简单替换成 atan(y / x)。hypot(x, y) 旨在避免直接平方相加所带来的不必要的中间溢出或下溢。

<tgmath.h> 为相应接口提供按参数类型选择版本的宏。它不意味着任意函数都能接受复数参数，也不能只根据接收结果的变量类型选择精度。

13. 日期与时间

time_t 不是标准保证的“从某固定年份开始的秒数”。计算日历时间差时使用 difftime()，不要依赖底层编码。

clock() 衡量处理器时间，不等于用户等待的墙上时间。timespec_get(..., TIME_UTC) 取得日历时钟，也不保证单调递增，不能直接当作严格单调的性能计时器。

struct tm 中 tm_year 是从 1900 起算的年数，tm_mon 是 0～11，tm_mday 正常为 1～31，tm_wday 中星期日为 0。

localtime() 和 gmtime() 转换失败时返回 NULL。成功的返回结果可能共享库内的存储，后续调用可能覆盖它；需要保留时先复制结构。

下面的完整示例在 "C" 本地化环境下格式化一个已知日期，不依赖运行时的当前时刻：

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

int main(void)
{
    const struct tm date = {
        .tm_year = 2024 - 1900,
        .tm_mon = 2 - 1,
        .tm_mday = 29,
        .tm_hour = 8,
        .tm_min = 30,
        .tm_sec = 5
    };
    char buffer[32];
    if (strftime(buffer, sizeof buffer, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &date) == 0) {
        return 1;
    }
    puts(buffer);
    return 0;
}

输出 2024-02-29 08:30:05。需要星期、年内日期等信息时，应保证对应成员也正确，不能以为只填写年月日就自动推导出所有字段。

14. 知道用途，但不宜套用的接口

14.1 setjmp 与 longjmp

setjmp() 保存可恢复的执行环境，第一次返回 0；有效的 longjmp() 恢复环境后，使它表现为返回非零值。

只能跳回仍然有效的函数调用环境，不能跳回已经返回的函数。调用位置还受标准语法约束，不能随意把 setjmp 藏在任意表达式里。

保存环境后又被修改的、非 volatile 的相关自动局部对象，恢复后可能具有不确定的值。跳转也不会自动清理所跳过路径中的动态资源；它不是 C++ 异常处理或析构机制。

14.2 signal 与 raise

signal() 设置处理方式，raise() 发出信号。SIG_DFL、SIG_IGN 用于请求默认处理或忽略，错误返回值是 SIG_ERR。

异步信号处理函数可执行的工作受到严格限制，不能随意调用 printf、malloc 或 exit。简单设计通常只修改适合信号处理的标志，由正常控制流程完成输出和清理。

volatile sig_atomic_t 用于这种受限制的信号通信场景，不能据此推导出普通多线程访问已经安全。

14.3 原子与线程

<stdatomic.h> 提供原子对象和相应操作；<threads.h> 提供线程、互斥量、条件变量等设施。C11 中应先确认实现是否支持这些可选能力。

原子性不等于任意一组业务操作都自动成为不可分割事务。多个相关字段的一致性、访问顺序和资源生命期仍需要设计；volatile 不能替代原子操作或锁。

14.4 可变参数

va_start 建立遍历，va_arg 读取，va_copy 复制遍历状态，每个相应状态都要用 va_end 结束。

可变参数中的 float 提升为 double，小整数类型发生整数提升。读取时必须使用与实参提升后相匹配的类型；函数无法仅凭省略号自动知道参数的数量与类型。