GNU C Library技术手册：内存分配、字符处理与字符串工具

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"GNU C库技术手册（英文版）-shrinked" 《GNU C库技术手册》是一部由Sandra Loosemore、Richard M. Stallman、Roland McGrath、Andrew Oram和Ulrich Drepper共同编写的参考指南，专门介绍GNU C库的详细使用和技术。手册的最新版本为0.10，更新于2001年07月06日，适用于版本2.2.x。此书的版权归Free Software Foundation所有，并遵循GNU Free Documentation License发布，允许复制、分发和修改。该手册包含多个核心主题，包括： 1. **错误报告**：这部分内容详细介绍了在使用GNU C库时可能出现的错误以及如何正确报告和处理这些错误。这对于调试和优化代码至关重要，因为理解错误机制可以帮助开发者更有效地定位问题。 2. **虚拟内存分配与分页**：讲解了如何在C程序中管理内存，包括动态内存分配（如`malloc`、`calloc`、`realloc`和`free`函数）以及内存分页的基本原理。这部分内容对于理解和优化程序内存使用至关重要，防止内存泄漏和提高程序效率。 3. **字符处理**：涵盖C语言中的字符类型（如`char`）以及相关的库函数，如转换编码、比较和搜索字符等功能。这部分内容对于处理文本数据和国际化问题特别有用。 4. **字符串和数组实用工具**：详细阐述了字符串和数组操作的库函数，如`strcpy`、`strcat`、`strcmp`、`memset`等。这些函数提供了一种标准且安全的方式来操作C语言中的字符串和数组，避免了手动操作可能导致的缓冲区溢出等安全问题。手册还包含了不变章节“Free Software Needs Free Documentation”和“GNULesser General Public License”，以及FSF的前后封面文字，强调了自由软件的精神和GNU项目的宗旨。通过阅读本书，开发者不仅可以深入理解GNU C库的内部机制，还能了解到开源和自由软件社区的原则和实践。《GNU C库技术手册》是开发人员、系统管理员和对C语言底层工作原理感兴趣的读者的重要参考资料，它提供了丰富的实践指导和深入的技术解析，帮助用户充分利用GNU C库的功能并编写高效、稳定的代码。

xii The GNU C Library

19 Mathematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

19.1 Predeﬁned Mathematical Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

19.2 Trigonometric Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502

19.3 Inverse Trigonometric Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504

19.4 Exponentiation and Logarithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505

19.5 Hyperbolic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509

19.6 Special Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

19.7 Known Maximum Errors in Math Functions. . . . . . . . . . . . 513

19.8 Pseudo-Random Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531

19.8.1 ISO C Random Number Functions . . . . . . . . . . . . 531

19.8.2 BSD Random Number Functions . . . . . . . . . . . . . 532

19.8.3 SVID Random Number Function . . . . . . . . . . . . . 534

19.9 Is Fast Code or Small Code preferred? . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

20 Arithmetic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

20.1 Integers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

20.2 Integer Division . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

20.3 Floating Point Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542

20.4 Floating-Point Number Classiﬁcation Functions . . . . . . . . 542

20.5 Errors in Floating-Point Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544

20.5.1 FP Exceptions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544

20.5.2 Inﬁnity and NaN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

20.5.3 Examining the FPU status word . . . . . . . . . . . . . . 547

20.5.4 Error Reporting by Mathematical Functions . . . 548

20.6 Rounding Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549

20.7 Floating-Point Control Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551

20.8 Arithmetic Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

20.8.1 Absolute Value . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

20.8.2 Normalization Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553

20.8.3 Rounding Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

20.8.4 Remainder Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556

20.8.5 Setting and modifying single bits of FP values. . 557

20.8.6 Floating-Point Comparison Functions . . . . . . . . . 558

20.8.7 Miscellaneous FP arithmetic functions . . . . . . . . 559

20.9 Complex Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560

20.10 Projections, Conjugates, and Decomposing of Complex

Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 561

20.11 Parsing of Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

20.11.1 Parsing of Integers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562

20.11.2 Parsing of Floats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566

20.12 Old-fashioned System V number-to-string functions . . . . 568

xiii

21 Date and Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

21.1 Time Basics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

21.2 Elapsed Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571

21.3 Processor And CPU Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

21.3.1 CPU Time Inquiry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573

21.3.2 Processor Time Inquiry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574

21.4 Calendar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575

21.4.1 Simple Calendar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576

21.4.2 High-Resolution Calendar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 576

21.4.3 Broken-down Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578

21.4.4 High Accuracy Clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581

21.4.5 Formatting Calendar Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584

21.4.6 Convert textual time and date information back

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589

21.4.6.1 Interpret string according to given format

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

21.4.6.2 A More User-friendly Way to Parse Times

and Dates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595

21.4.7 Specifying the Time Zone with TZ . . . . . . . . . . . . 597

21.4.8 Functions and Variables for Time Zones . . . . . . . 599

21.4.9 Time Functions Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

21.5 Setting an Alarm. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

21.6 Sleeping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

22 Resource Usage And Limitation . . . . . . . . . 605

22.1 Resource Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605

22.2 Limiting Resource Usage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607

22.3 Process CPU Priority And Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . 611

22.3.1 Absolute Priority . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 612

22.3.1.1 Using Absolute Priority . . . . . . . . . . . . . 612

22.3.2 Realtime Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613

22.3.3 Basic Scheduling Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614

22.3.4 Traditional Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617

22.3.4.1 Introduction To Traditional Scheduling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617

22.3.4.2 Functions For Traditional Scheduling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 618

22.4 Querying memory available resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620

22.4.1 Overview about traditional Unix memory handling

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 620

22.4.2 How to get information about the memory

subsystem? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 621

22.5 Learn about the processors available . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622

xiv The GNU C Library

23 Non-Local Exits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

23.1 Introduction to Non-Local Exits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625

23.2 Details of Non-Local Exits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626

23.3 Non-Local Exits and Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627

23.4 Complete Context Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628

24 Signal Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

24.1 Basic Concepts of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

24.1.1 Some Kinds of Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

24.1.2 Concepts of Signal Generation . . . . . . . . . . . . . . . . 636

24.1.3 How Signals Are Delivered . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636

24.2 Standard Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637

24.2.1 Program Error Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637

24.2.2 Termination Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640

24.2.3 Alarm Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641

24.2.4 Asynchronous I/O Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642

24.2.5 Job Control Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642

24.2.6 Operation Error Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644

24.2.7 Miscellaneous Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645

24.2.8 Signal Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645

24.3 Specifying Signal Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646

24.3.1 Basic Signal Handling. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 646

24.3.2 Advanced Signal Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648

24.3.3 Interaction of signal and sigaction . . . . . . . . . 649

24.3.4 sigaction Function Example . . . . . . . . . . . . . . . . 650

24.3.5 Flags for sigaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 651

24.3.6 Initial Signal Actions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

24.4 Deﬁning Signal Handlers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652

24.4.1 Signal Handlers that Return. . . . . . . . . . . . . . . . . . 653

24.4.2 Handlers That Terminate the Process . . . . . . . . . 654

24.4.3 Nonlocal Control Transfer in Handlers . . . . . . . . 655

24.4.4 Signals Arriving While a Handler Runs. . . . . . . . 656

24.4.5 Signals Close Together Merge into One . . . . . . . . 657

24.4.6 Signal Handling and Nonreentrant Functions . . 659

24.4.7 Atomic Data Access and Signal Handling . . . . . . 661

24.4.7.1 Problems with Non-Atomic Access . . . 661

24.4.7.2 Atomic Types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662

24.4.7.3 Atomic Usage Patterns . . . . . . . . . . . . . . 662

24.5 Primitives Interrupted by Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663

24.6 Generating Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664

24.6.1 Signaling Yourself . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664

24.6.2 Signaling Another Process. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 665

24.6.3 Permission for using kill . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666

24.6.4 Using kill for Communication . . . . . . . . . . . . . . . 667

24.7 Blocking Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 668

24.7.1 Why Blocking Signals is Useful . . . . . . . . . . . . . . . 669

24.7.2 Signal Sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 669

24.7.3 Process Signal Mask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670

24.7.4 Blocking to Test for Delivery of a Signal. . . . . . . 671

24.7.5 Blocking Signals for a Handler . . . . . . . . . . . . . . . . 672

24.7.6 Checking for Pending Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 673

24.7.7 Remembering a Signal to Act On Later . . . . . . . 674

24.8 Waiting for a Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675

24.8.1 Using pause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675

24.8.2 Problems with pause . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 676

24.8.3 Using sigsuspend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677

24.9 Using a Separate Signal Stack . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 678

24.10 BSD Signal Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 680

24.10.1 BSD Function to Establish a Handler . . . . . . . . 680

24.10.2 BSD Functions for Blocking Signals . . . . . . . . . . 681

25 The Basic Program/System Interface . . . . 683

25.1 Program Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683

25.1.1 Program Argument Syntax Conventions . . . . . . . 684

25.1.2 Parsing Program Arguments . . . . . . . . . . . . . . . . . 685

25.2 Parsing program options using getopt . . . . . . . . . . . . . . . . . 685

25.2.1 Using the getopt function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685

25.2.2 Example of Parsing Arguments with getopt . . . 686

25.2.3 Parsing Long Options with getopt_long . . . . . . 688

25.2.4 Example of Parsing Long Options with

getopt_long . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690

25.3 Parsing Program Options with Argp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692

25.3.1 The argp_parse Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692

25.3.2 Argp Global Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 693

25.3.3 Specifying Argp Parsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694

25.3.4 Specifying Options in an Argp Parser . . . . . . . . . 695

25.3.4.1 Flags for Argp Options . . . . . . . . . . . . . . 696

25.3.5 Argp Parser Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 696

25.3.5.1 Special Keys for Argp Parser Functions

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698

25.3.5.2 Functions For Use in Argp Parsers . . . 700

25.3.5.3 Argp Parsing State. . . . . . . . . . . . . . . . . . 701

25.3.6 Combining Multiple Argp Parsers. . . . . . . . . . . . . 702

25.3.7 Flags for argp_parse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 703

25.3.8 Customizing Argp Help Output. . . . . . . . . . . . . . . 704

25.3.8.1 Special Keys for Argp Help Filter

Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704

25.3.9 The argp_help Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 705

25.3.10 Flags for the argp_help Function. . . . . . . . . . . . 705

25.3.11 Argp Examples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706

25.3.11.1 A Minimal Program Using Argp . . . . 706

25.3.11.2 A Program Using Argp with Only

Default Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707

25.3.11.3 A Program Using Argp with User

Options . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 708

xvi The GNU C Library

25.3.11.4 A Program Using Multiple Combined

Argp Parsers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

25.3.12 Argp User Customization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 715

25.3.12.5 Parsing of Suboptions . . . . . . . . . . . . . . 716

25.3.13 Parsing of Suboptions Example . . . . . . . . . . . . . . 716

25.4 Environment Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 718

25.4.1 Environment Access . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 719

25.4.2 Standard Environment Variables . . . . . . . . . . . . . . 720

25.5 System Calls. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722

25.6 Program Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724

25.6.1 Normal Termination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724

25.6.2 Exit Status . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 724

25.6.3 Cleanups on Exit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 725

25.6.4 Aborting a Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 726

25.6.5 Termination Internals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727

26 Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729

26.1 Running a Command. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 729

26.2 Process Creation Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730

26.3 Process Identiﬁcation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730

26.4 Creating a Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 731

26.5 Executing a File . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 732

26.6 Process Completion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734

26.7 Process Completion Status. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 737

26.8 BSD Process Wait Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 738

26.9 Process Creation Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 739

27 Job Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

27.1 Concepts of Job Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

27.2 Job Control is Optional. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

27.3 Controlling Terminal of a Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

27.4 Access to the Controlling Terminal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 742

27.5 Orphaned Process Groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743

27.6 Implementing a Job Control Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743

27.6.1 Data Structures for the Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . 744

27.6.2 Initializing the Shell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

27.6.3 Launching Jobs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

27.6.4 Foreground and Background. . . . . . . . . . . . . . . . . . 750

27.6.5 Stopped and Terminated Jobs . . . . . . . . . . . . . . . . 751

27.6.6 Continuing Stopped Jobs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754

27.6.7 The Missing Pieces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755

27.7 Functions for Job Control. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756

27.7.1 Identifying the Controlling Terminal . . . . . . . . . . 756

27.7.2 Process Group Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 756

27.7.3 Functions for Controlling Terminal Access . . . . . 758

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fish_yutao

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