実行できるCドキュメント: 標準ライブラリ

Q: C言語の標準ライブラリとは何ですか？

適合するすべてのC処理系が提供する関数・型・マクロの集合で、およそ30のヘッダーにまとめられています。入出力（ ）、メモリと変換（ ）、文字列（ ）、数学（ ）、時刻、文字の分類、数値型の限界を扱います。Cには組み込みの入出力も文字列処理もありません - そのすべてがここから来ます。

Q: stdio.h と stdlib.h の違いは何ですか？

は入出力です。printf、scanf、fopen、fgets、FILE。 は汎用ユーティリティです。malloc と free、atoi と strtol、rand と srand、exit、qsort、bsearch。典型的なプログラムは両方をインクルードします。

Q: ctype.h は何をするものですか？

1文字を分類したり変換したりします。isdigit、isalpha、isalnum、isspace、isupper、islower、ispunct、それに toupper と tolower です。c >= '0' && c <= '9' のような手書きの比較の代わりにこれらを使うほうが明快で、あらゆるロケールと文字集合で正しく動きます。

Q: C言語の標準ライブラリを使うのにリンクが必要ですか？

いいえ、ただし1つ例外があります。数学関数です。標準Cライブラリは自動的にリンクされますが、Linuxでは の実装が別のライブラリにあるので、sqrt などにはコンパイルコマンドの末尾に -lm が必要です。それ以外は正しい #include だけで足ります。

言語としてのCはごく小さなものです - 型、演算子、制御の流れ、関数、ポインタ。表示もできず、ファイルも読めず、文字列の比較もメモリの確保もできません。そのすべてが標準ライブラリであり、適合するすべての処理系が同梱するヘッダーの集まりです。

このページは地図です。各節でそのヘッダーが何のためのものかを述べ、短い動く例を1つ示し、より詳しいページがあればそこを指し示します。

stdio.h - 入出力

ほぼすべてのプログラムで最初にインクルードするヘッダーです。printf と scanf、FILE 型とファイル関連の関数、そしてより安全な行単位の入力関数を持っています。

#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("書式つき: %d %s %.2f %c\n", 42, "text", 3.14159, 'X');

    /* fputs は書式指定子を解釈せずに書き出す */
    fputs("素の出力、書式なし\n", stdout);

    /* stderr は診断用の別のストリーム */
    fprintf(stderr, "これは標準エラー出力へ行きます\n");

    /* putchar は1文字を書き出す */
    for (char c = 'a'; c <= 'e'; c++) {
        putchar(c);
    }
    putchar('\n');
    return 0;
}

要点。出力には printf、fprintf、sprintf、snprintf。入力には scanf、fscanf、sscanf、fgets、getchar。ファイルには fopen、fclose、fread、fwrite、fseek。より深い解説は printf、scanf、ファイル操作にあります。

覚えておく価値のある規則が1つ。gets() は決して使わないこと。バッファの大きさを知る手段がなく、C11で標準から削除されました。代わりは fgets(buf, sizeof buf, stdin) です。

stdlib.h - 汎用ユーティリティ

なんでも屋です。メモリ、変換、乱数、プロセス制御、整列。

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

int compare_ints(const void *a, const void *b) {
    int x = *(const int *)a;
    int y = *(const int *)b;
    return (x > y) - (x < y);
}

int main(void) {
    /* 文字列から数へ */
    printf("atoi(\"123\")     = %d\n", atoi("123"));
    printf("strtol(\"ff\", 16) = %ld\n", strtol("ff", NULL, 16));
    printf("atof(\"3.5\")     = %.2f\n", atof("3.5"));

    /* 動的メモリ */
    int *nums = malloc(5 * sizeof *nums);
    if (nums == NULL) {
        return 1;
    }
    int seed_values[] = {50, 10, 40, 20, 30};
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        nums[i] = seed_values[i];
    }

    /* qsort は比較関数さえ渡せば何でも並べ替える */
    qsort(nums, 5, sizeof *nums, compare_ints);
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", nums[i]);
    }
    printf("\n");

    free(nums);
    return 0;
}

主なもの。malloc、calloc、realloc、free（動的メモリを参照）。変換には atoi、atof、strtol、strtod - atoi が静かに 0 を返すところで失敗を報告できる strto* 系列を選びましょう。rand と srand（乱数を参照）。exit、abort、getenv、system。そして qsort／bsearch。

string.h - 文字列とメモリブロック

C言語の文字列は '\0' で終わる char の配列であり、それに対するすべての操作は関数呼び出しです。

#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main(void) {
    char dest[64] = "Hello";

    printf("strlen  : %zu\n", strlen(dest));

    strcat(dest, ", world");
    printf("strcat  : %s\n", dest);

    printf("strcmp  : %d\n", strcmp("apple", "banana"));
    printf("strchr  : %s\n", strchr(dest, 'w'));
    printf("strstr  : %s\n", strstr(dest, "world"));

    char copy[64];
    strcpy(copy, dest);
    printf("strcpy  : %s\n", copy);

    /* mem* 系の関数はテキストに限らず生のバイト列を扱う */
    char block[10];
    memset(block, '-', 9);
    block[9] = '\0';
    printf("memset  : %s\n", block);
    return 0;
}

2つの習慣が、このヘッダーがバッファオーバーフローの源になるのを防ぎます。常に格納先の大きさを把握すること、そして strcmp が等しいときに 0 を返すことを忘れないこと - if (strcmp(a, b)) は文字列が異なるときに真になります。より安全な strncpy／snprintf のパターンは文字列関数で詳しく扱います。

math.h - 数学

sqrt、pow、fabs、floor、ceil、round、fmod、三角関数と対数の系列、INFINITY と NAN。

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main(void) {
    printf("sqrt(2)     = %.6f\n", sqrt(2.0));
    printf("pow(2, 10)  = %.0f\n", pow(2.0, 10.0));
    printf("ceil(4.1)   = %.0f\n", ceil(4.1));
    printf("fabs(-9.5)  = %.1f\n", fabs(-9.5));
    return 0;
}

これはリンカのフラグが必要になりうる唯一のヘッダーです。Linuxではコンパイルコマンドの末尾に -lm を加えないと、リンカが「undefined reference to sqrt」と報告します。詳しい案内は数学関数にあります。

time.h - 時計と日付

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

int main(void) {
    time_t now = time(NULL);
    printf("1970年からの秒数: %ld\n", (long) now);
    printf("現地時刻: %s", ctime(&now));

    struct tm *lt = localtime(&now);
    printf("年: %d, 月: %d, 日: %d\n",
           lt->tm_year + 1900, lt->tm_mon + 1, lt->tm_mday);

    char buf[64];
    strftime(buf, sizeof buf, "%Y-%m-%d %H:%M:%S", lt);
    printf("書式つき: %s\n", buf);

    /* clock() はこのプログラムが使ったプロセッサ時間を測る */
    clock_t start = clock();
    volatile long sum = 0;
    for (long i = 0; i < 3000000L; i++) {
        sum += i;
    }
    double secs = (double)(clock() - start) / CLOCKS_PER_SEC;
    printf("ループに %.4f CPU秒かかりました\n", secs);
    return 0;
}

struct tm の2つのずれが誰をも捕まえます。tm_year は1900年からの数え、tm_mon は0始まりです。time(NULL) は srand の種としても定番です。

ctype.h - 文字の分類

小さいながら、見た目より役に立ちます。各関数は1文字を取り、はい／いいえの問いに答えるか、大文字小文字を変換します。

#include <stdio.h>
#include <ctype.h>

int main(void) {
    const char *text = "Coddy C17, launched!";

    int letters = 0, digits = 0, spaces = 0, punct = 0;
    for (const char *p = text; *p != '\0'; p++) {
        unsigned char c = (unsigned char) *p;
        if (isalpha(c))      letters++;
        else if (isdigit(c)) digits++;
        else if (isspace(c)) spaces++;
        else if (ispunct(c)) punct++;
    }
    printf("英字=%d 数字=%d 空白=%d 句読点=%d\n",
           letters, digits, spaces, punct);

    printf("大文字: ");
    for (const char *p = text; *p != '\0'; p++) {
        putchar(toupper((unsigned char) *p));
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

一式はこうです。isalpha、isdigit、isalnum、isspace、isupper、islower、ispunct、isxdigit、isprint、それに toupper と tolower。

(unsigned char) のキャストに注目してください。これらの関数は unsigned char として表現できる値と EOF について定義されています。素の char はほとんどのシステムで符号付きなので、127を超えるバイトは負数として届き、呼び出しが未定義動作になります。キャストのコストはゼロで、この種の問題をまるごと取り除いてくれます。

そして手製の判定よりこちらを選びましょう。c >= '0' && c <= '9' はたまたま動きますが、isdigit(c) は意図をそのまま述べており、どこでも正しいままです。

limits.h と float.h - 型の端

このマシンで int はどこまで大きくなれるか？これらのヘッダーがそれに答え、その答えこそ可搬なコードが仮定せずに問い合わせる理由です。

#include <stdio.h>
#include <limits.h>
#include <float.h>

int main(void) {
    printf("char  : %d 〜 %d (%zu バイト)\n", CHAR_MIN, CHAR_MAX, sizeof(char));
    printf("int   : %d 〜 %d (%zu バイト)\n", INT_MIN, INT_MAX, sizeof(int));
    printf("long  : %ld 〜 %ld (%zu バイト)\n", LONG_MIN, LONG_MAX, sizeof(long));
    printf("uint  : 0 〜 %u\n", UINT_MAX);

    printf("float : %g 〜 %g (%zu バイト)\n", FLT_MIN, FLT_MAX, sizeof(float));
    printf("double: %g 〜 %g (%zu バイト)\n", DBL_MIN, DBL_MAX, sizeof(double));
    printf("double の十進の精度は %d 桁\n", DBL_DIG);
    return 0;
}

INT_MAX はオーバーフローが起きる前にそれを確認する手段です。符号付きのオーバーフローは、あとから調べられる巻き戻りではなく未定義動作なので、これは重要です。

stdbool.h と stdint.h - よりよい型

CにはC99まで真偽値の型がありませんでした。<stdbool.h> がそれを提供します。

#include <stdio.h>
#include <stdbool.h>

bool is_even(int n) {
    return n % 2 == 0;
}

int main(void) {
    bool ready = true;
    bool done  = false;

    printf("ready=%d done=%d\n", ready, done);
    printf("is_even(10) = %s\n", is_even(10) ? "true" : "false");
    return 0;
}

bool、true、false は _Bool、1、0 のマクロですが、意図を明白にしてくれます。（C23ではキーワードになり、このヘッダーはもう必要ありません。）

<stdint.h> は幅が保証された型を与えます - ファイル形式、ネットワークプロトコル、そして「int はたぶん32ビット」では不十分な組み込みのすべてに不可欠です。

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <inttypes.h>

int main(void) {
    int8_t   small = -128;
    uint16_t port  = 8080;
    int32_t  count = 2000000000;
    uint64_t big   = 18000000000000000000ULL;

    printf("int8_t  : %" PRId8  "\n", small);
    printf("uint16_t: %" PRIu16 "\n", port);
    printf("int32_t : %" PRId32 "\n", count);
    printf("uint64_t: %" PRIu64 "\n", big);

    printf("サイズ: %zu %zu %zu %zu\n",
           sizeof small, sizeof port, sizeof count, sizeof big);
    return 0;
}

<inttypes.h> の PRId32 形式のマクロは、現在のプラットフォームで各固定幅型に対して正しい printf の指定子へ展開されます - %d は int32_t に対してあるシステムでは正しく別のシステムでは誤りなので、これが可搬な表示の方法です。

assert.h - 前提を確認する

assert(expr) は式が真のとき何もせず、偽のときメッセージを出してプログラムを中断します。

#include <stdio.h>
#include <assert.h>

int divide(int a, int b) {
    assert(b != 0);          /* 契約: 呼び出し元は 0 を渡してはならない */
    return a / b;
}

int main(void) {
    printf("20 / 4 = %d\n", divide(20, 4));
    printf("20 / 5 = %d\n", divide(20, 5));

    /* ここで divide(20, 0) を呼べば次のように中断する:
       Assertion `b != 0' failed. */
    return 0;
}

-DNDEBUG を付けてコンパイルするとすべてのアサーションが取り除かれるので、リリースビルドでのコストはゼロです。これは同時に警告でもあります。アサートの中に副作用を置いてはいけません。 assert(read_next() > 0) はリリースビルドで読み取りをまるごと止めてしまい、そのバグは本番でしか現れません。

アサーションはあなたの間違いのためのものです - コードが正しければあり得ないはずの条件です。ユーザーの不正な入力はアサーションではありません。それは if とエラーメッセージです。

残りを手短に

<stddef.h> - size_t、ptrdiff_t、NULL、offsetof
<stdarg.h> - 可変長引数の関数、printf の裏側の仕組み
<errno.h> - errno と、呼び出しが失敗した理由を報告する perror、strerror
<signal.h> - Ctrl-C などのシグナルの処理
<setjmp.h> - 非局所的なジャンプ。正解であることは稀
<locale.h>、<wchar.h>、<wctype.h> - ロケールとワイド文字
<stdnoreturn.h>、<stdalign.h>、<threads.h>、<stdatomic.h> - C11での追加

2つの習慣がこのライブラリを扱いやすくします。シグネチャを推測する前にマニュアルページを読むこと - macOSとLinuxの man 3 strtol は権威があって速いです。そして戻り値を確認すること。malloc、fopen、strtol はどれも失敗を報告しますし、それを無視するプログラムはずっと後に、ずっと不明瞭な形で失敗します。

よくある質問

C言語の標準ライブラリとは何ですか？

適合するすべてのC処理系が提供する関数・型・マクロの集合で、およそ30のヘッダーにまとめられています。入出力（<stdio.h>）、メモリと変換（<stdlib.h>）、文字列（<string.h>）、数学（<math.h>）、時刻、文字の分類、数値型の限界を扱います。Cには組み込みの入出力も文字列処理もありません - そのすべてがここから来ます。

stdio.h と stdlib.h の違いは何ですか？

<stdio.h> は入出力です。printf、scanf、fopen、fgets、FILE。<stdlib.h> は汎用ユーティリティです。malloc と free、atoi と strtol、rand と srand、exit、qsort、bsearch。典型的なプログラムは両方をインクルードします。

ctype.h は何をするものですか？

1文字を分類したり変換したりします。isdigit、isalpha、isalnum、isspace、isupper、islower、ispunct、それに toupper と tolower です。c >= '0' && c <= '9' のような手書きの比較の代わりにこれらを使うほうが明快で、あらゆるロケールと文字集合で正しく動きます。

C言語の標準ライブラリを使うのにリンクが必要ですか？

いいえ、ただし1つ例外があります。数学関数です。標準Cライブラリは自動的にリンクされますが、Linuxでは <math.h> の実装が別のライブラリにあるので、sqrt などにはコンパイルコマンドの末尾に -lm が必要です。それ以外は正しい #include だけで足ります。