【C语言学习笔记】十二、常用库函数（数学、时间与错误处理）

1. 章节概述

本章主要对一些常用的库函数做介绍，包括数学库、时间库与错误处理库。

其中数学库可能会在科研计算中用到，包含各种常见曲线与函数。

时间库函数包含时间戳的使用，比较重要。

错误处理库在前面一些章节中已经有所涉及。

2. 三角函数与M_PI

M_PI代表数学中的“π”，想要使用类似的数学符号，需要在包含<math.h>之前定义_USE_MATH_DEFINES，用于在MSVC中启用数学常量定义。

计算三角函数可以直接调用对应函数。

#include <stdio.h>
#define _USE_MATH_DEFINES	// 在MSVC中启用数学常量定义
#include <math.h>

// 三角函数
int main() {
	double input_angle_degrees = 0.0;
	double input_angle_radians = 0.0;

	printf("请输入一个角度（单位：度）：");
	scanf_s("%lf", &input_angle_degrees);

	// 将角度转换为弧度
	input_angle_radians = input_angle_degrees * (M_PI / 180.0);

	// 计算正弦值
	double sine_value = sin(input_angle_radians);
	printf("角度 %.2f 度的正弦值为: %.4f\n", input_angle_degrees, sine_value);

	// 计算余弦值
	double cosine_value = cos(input_angle_radians);
	printf("角度 %.2f 度的余弦值为: %.4f\n", input_angle_degrees, cosine_value);

	// 计算正切值
	double tangent_value = tan(input_angle_radians);
	printf("角度 %.2f 度的正切值为: %.4f\n", input_angle_degrees, tangent_value);

	// 计算反正弦值
	double arcsine_value = asin(sine_value) * (180.0 / M_PI);
	printf("正弦值 %.4f 的反正弦值为: %.2f 度\n", sine_value, arcsine_value);

	// 计算反余弦值
	double arccosine_value = acos(cosine_value) * (180.0 / M_PI);
	printf("余弦值 %.4f 的反余弦值为: %.2f 度\n", cosine_value, arccosine_value);

	// 计算反正切值
	double arctangent_value = atan(tangent_value) * (180.0 / M_PI);
	printf("正切值 %.4f 的反正切值为: %.2f 度\n", tangent_value, arctangent_value);

	return 0;
}

3. 双曲函数

计算双曲函数可以直接调用对应函数。

#include <stdio.h>
#define _USE_MATH_DEFINES	// 在MSVC中启用数学常量定义
#include <math.h>

// 双曲函数
int main() {
	double input_value = 1.0;

	// 计算双曲正弦值
	double sinh_value = sinh(input_value);
	printf("sinh(%.2f) = %.6f\n", input_value, sinh_value);

	// 计算双曲余弦值
	double cosh_value = cosh(input_value);
	printf("cosh(%.2f) = %.6f\n", input_value, cosh_value);

	// 计算双曲正切值
	double tanh_value = tanh(input_value);
	printf("tanh(%.2f) = %.6f\n", input_value, tanh_value);

	return 0;
}

4. 指数和对数

计算指数和对数值可以直接调用对应函数。

#include <stdio.h>
#define _USE_MATH_DEFINES	// 在MSVC中启用数学常量定义
#include <math.h>

// 指数和对数
int main() {
	double input_exp = 1.0;	// 指数函数的输入
	double input_log = 2.71828;	// 对数函数的输入，接近e
	double input_log10 = 100.0;	// 以10为底的对数函数的输入

	// 计算指数函数
	double result_exp = exp(input_exp);
	printf("exp(%.2f) = %.5f\n", input_exp, result_exp);

	// 计算自然对数函数
	double result_log = log(input_log);
	printf("log(%.5f) = %.5f\n", input_log, result_log);

	// 计算以10为底的对数函数
	double result_log10 = log10(input_log10);
	printf("log10(%.2f) = %.5f\n", input_log10, result_log10);

	return 0;
}

5. 常见math类别函数汇总

本节介绍一些常见的数学函数，包括求平方根、绝对值、向上取整、向下取整、取余。

#include <stdio.h>
#define _USE_MATH_DEFINES	// 在MSVC中启用数学常量定义
#include <math.h>

int main() {
	double num_sqrt = 16.0;	// 用于计算平方根的数字
	double num_fabs = -5.5;	// 用于计算绝对值的数字
	double num_ceil = 4.3;	// 用于向上取整的数字
	double num_floor = 4.7;	// 用于向下取整的数字
	double num_fmod1 = 5.3;	// 用于取余的第一个数字
	double num_fmod2 = 2.0;	// 用于取余的第二个数字

	// 计算平方根
	double result_sqrt = sqrt(num_sqrt);
	printf("The square root of %.2f is %.2f\n", num_sqrt, result_sqrt);

	// 计算绝对值
	double result_fabs = fabs(num_fabs);
	printf("The absolute value of %.2f is %.2f\n", num_fabs, result_fabs);

	// 向上取整
	double result_ceil = ceil(num_ceil);
	printf("The ceiling of %.2f is %.2f\n", num_ceil, result_ceil);

	// 向下取整
	double result_floor = floor(num_floor);
	printf("The floor of %.2f is %.2f\n", num_floor, result_floor);

	// 计算取余
	double result_fmod = fmod(num_fmod1, num_fmod2);
	printf("The remainder of %.2f divided by %.2f is %.2f\n", num_fmod1, num_fmod2, result_fmod);

	return 0;
}

6. pow幂函数

传入两个参数，例如result = pow(a, b)，相当于$result = a ^ b$。

#include <stdio.h>
#define _USE_MATH_DEFINES	// 在MSVC中启用数学常量定义
#include <math.h>

// 幂函数
int main() {
	// 计算圆的面积
	double radius = 5.0;
	double area = M_PI * pow(radius, 2);
	printf("Radius: %.2f, Area: %.2f\n", radius, area);

	// 计算正方形的面积
	double side = 4.0;
	double square_area = pow(side, 2);
	printf("Side: %.2f, Square Area: %.2f\n", side, square_area);

	return 0;
}

7. 对于math类别的错误处理：EDOM、ERANGE、HUGE_VAL

如果想要使用不安全的函数，例如scanf，可以在头文件之前添加一个定义：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS	// 禁用不安全函数警告

但不建议这样处理，可能会导致内存问题。

可以引入头文件errno.h用于错误处理。

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

int main(void) {
	double number = 0.0;	// 用户输入的数字
	double result = 0.0;	// 计算结果

	printf("请输入一个数字以计算其平方根: ");
	scanf_s("%lf", &number);

	errno = 0; // 重置errno以检测错误

	result = sqrt(number);	// 计算平方根

	// 检查是否发生了错误
	if (errno == EDOM) {	// 输入的数字为负数
		printf("错误: 输入的数字不能为负数。\n");
	}
	else if (errno == ERANGE) {	// 输入的数字过大
		printf("错误: 输入的数字过大，无法计算平方根。\n");
	}
	else if (errno == HUGE_VAL) {	// 计算结果过大
		printf("错误: 计算结果过大，无法表示。\n");
	}
	else {	// 没有错误，输出结果
		printf("数字 %.2lf 的平方根是 %.2lf\n", number, result);

	}

	return 0;
}

8. 检查浮点数类别与属性

fpclassify函数可以检查传入的浮点数的类别，返回一些特殊的宏定义值。

其他的一些函数可以检查传入的浮点数的属性，具体用法可以参考下面的示例。

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

// 检查浮点数的分类
void check_float(double number);

int main(void) {
	double numbers[] = { 0.0, -0.0, 1.0, -1.0, INFINITY, -INFINITY, NAN };
	for (int i = 0; i < sizeof(numbers) / sizeof(numbers[0]); i++) {
		check_float(numbers[i]);
	}

	return 0;
}

// 检查浮点数的分类
void check_float(double number) {
	// 使用 fpclassify 函数检查浮点数的分类
	switch (fpclassify(number)) {
		case FP_INFINITE:
			printf("%.2lf 是无穷大\n", number);
			break;
		case FP_NAN:
			printf("%.2lf 是非数\n", number);
			break;
		case FP_NORMAL:
			printf("%.2lf 是正常数\n", number);
			break;
		case FP_SUBNORMAL:
			printf("%.2lf 是次正规数\n", number);
			break;
		case FP_ZERO:
			printf("%.2lf 是零\n", number);
			break;
		default:
			printf("%.2lf 的分类未知\n", number);
			break;
	}
	// 检查是否为有限数
	if (isfinite(number)) {
		printf("%.2lf 是有限数\n", number);
	}
	// 检查是否为无穷大
	if (isinf(number)) {
		printf("%.2lf 是无穷大\n", number);
	}
	// 检查是否为非数
	if (isnan(number)) {
		printf("%.2lf 是非数\n", number);
	}
	// 检查是否为正常数
	if (isnormal(number)) {
		printf("%.2lf 是正常数\n", number);
	}
	// 检查符号
	if (signbit(number)) {
		printf("%.2lf 是负数\n", number);
	}
	else {
		printf("%.2lf 是正数或零\n", number);
	}
	printf("\n");
}

9. 浮点数的比较与差值

fmax：返回传入的两个浮点数中的较大值。

fmin：返回传入的两个浮点数中的较小值。

fdim：用于计算传入的两个浮点数之间的正差值。如果第一个参数$x$大于第二个参数$y$（$x > y$），返回$x - y$；如果$x \leq y$，则返回0.0。

double number_1 = 5.8;
double number_2 = 7.2;
double number_3 = 3.1;

// 得出两数的较大值
double max = fmax(number_1, number_2);
printf("The maximum of %.2lf and %.2lf is %.2lf\n", number_1, number_2, max);

// 得出两数的较小值
double min = fmin(number_1, number_2);
printf("The minimum of %.2lf and %.2lf is %.2lf\n", number_1, number_2, min);

// 得出两数的差值
double diff_1 = fdim(number_1, number_2);
printf("The difference between %.2lf and %.2lf is %.2lf\n", number_1, number_2, diff_1);

double diff_2 = fdim(number_2, number_3);
printf("The difference between %.2lf and %.2lf is %.2lf\n", number_2, number_3, diff_2);

10. 舍入和剩余函数

函数的用法与效果参考示例。

double value = 2.845;
double divisor = 2.0;

printf("=== 舍入函数示例 (value = %.3f) ===\n\n", value);

// round 系列：四舍五入到最接近的整数（0.5 向远离 0 的方向舍入）
printf("round(%f) = %f\n", value, round(value));          // 返回 double 类型
printf("lround(%f) = %ld\n", value, lround(value));       // 返回 long 类型
printf("llround(%f) = %lld\n\n", value, llround(value));  // 返回 long long 类型

// rint 系列：根据当前舍入模式舍入（默认为四舍六入五取偶）
printf("rint(%f) = %f\n", value, rint(value));            // 返回 double 类型
printf("lrint(%f) = %ld\n", value, lrint(value));         // 返回 long 类型
printf("llrint(%f) = %lld\n\n", value, llrint(value));    // 返回 long long 类型

// nearbyint：与 rint 类似，但不会触发浮点异常
printf("nearbyint(%f) = %f\n\n", value, nearbyint(value));

// 余数函数：计算 IEEE 余数（结果符号可能与被除数不同）
printf("=== 余数函数示例 ===\n");
printf("remainder(%.3f, %.1f) = %f\n", value, divisor, remainder(value, divisor));
printf("（IEEE 余数，结果范围：[-%.1f, %.1f]）\n\n", divisor/2, divisor/2);

// 特殊情况：展示 0.5 时不同舍入函数的行为差异
printf("=== 特殊情况：0.5 的舍入行为 ===\n");
double special_value = 2.5;
printf("round(%.1f) = %.1f      // 四舍五入：0.5 向远离 0 方向\n", special_value, round(special_value));
printf("rint(%.1f) = %.1f       // 银行家舍入：0.5 取最近的偶数\n", special_value, rint(special_value));
printf("nearbyint(%.1f) = %.1f  // 同 rint，但不触发异常\n", special_value, nearbyint(special_value));

11. time.h与时间戳的使用

时间戳：时间戳记或称为时间标记（timestamp），是指字符串或编码信息用于识别记录下来的时间日期。

time.h头文件提供了处理和操作日期和时间的函数和类型。

部分函数的使用方法参考下面的示例。

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

int main(void) {
	/*
	* time() - 获取当前日历时间
	* 返回值: 当前时间戳（自 1970-01-01 00:00:00 UTC 的秒数），失败返回 -1
	*/
	time_t current_time = time(NULL);
	if (current_time == -1) {
		perror("Failed to get current time");
		return 1;
	}
	printf("Current time (time_t): %lld\n\n", (long long)current_time);

	/*
	 * === 本地时间处理 ===
	 * localtime_s() - 将 time_t 转换为本地时区的 struct tm 结构
	 * struct tm 包含: tm_year(年), tm_mon(月 0-11), tm_mday(日), tm_hour(时),
	 *                tm_min(分), tm_sec(秒), tm_wday(星期 0-6), tm_yday(年中天数)
	 */
	struct tm local_time;
	localtime_s(&local_time, &current_time);

	/*
	 * strftime() - 格式化时间字符串
	 * 常用格式符: %Y(年) %m(月) %d(日) %H(时) %M(分) %S(秒) %A(星期) %B(月份名)
	 */
	char local_time_str[100];
	strftime(local_time_str, sizeof(local_time_str), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &local_time);
	printf("Local time: %s\n", local_time_str);

	/*
	 * === UTC 时间处理 ===
	 * gmtime_s() - 将 time_t 转换为 UTC 时间（不考虑本地时区）
	 */
	struct tm utc_time;
	gmtime_s(&utc_time, &current_time);

	char utc_time_str[100];
	strftime(utc_time_str, sizeof(utc_time_str), "%Y-%m-%d %H:%M:%S", &utc_time);
	printf("UTC time:   %s\n", utc_time_str);

	// 显示本地时间与 UTC 的时区差异（单位：小时）
	printf("\n时区差异: %d 小时\n", local_time.tm_hour - utc_time.tm_hour);

	return 0;
}

12. 简单回顾错误处理函数

errno.h头文件提供了一种在程序中报告和处理错误的机制。这个头文件定义了宏和变量，用于指示和描述运行时错误的类型。

错误处理常见的函数有perror与strerror_s，可以打印出最后发生的错误类型及相关信息，使用方法可以参考上一章节文件中的部分示例。

下面是一个简单的错误处理示例，以供参考。

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

int main(void) {
	FILE* file;
	errno_t err;
	char errMsg[256];

	printf("=== C语言错误处理示例 ===\n\n");

	// 示例1: 使用 perror() 函数
	printf("1. 使用 perror() 函数:\n");
	err = fopen_s(&file, "不存在的文件.txt", "r");
	if (err != 0) {
		perror("   错误");
	}

	printf("\n");

	// 示例2: 使用 strerror_s() 函数
	printf("2. 使用 strerror_s() 函数:\n");
	err = fopen_s(&file, "another_nonexistent_file.txt", "r");
	if (err != 0) {
		strerror_s(errMsg, sizeof(errMsg), err);
		printf("   打开文件失败: %s\n", errMsg);
		printf("   错误代码: %d\n", err);
	}

	printf("\n");

	// 示例3: 自定义错误消息
	printf("3. 自定义错误消息:\n");
	err = fopen_s(&file, "test.txt", "r");
	if (err != 0) {
		strerror_s(errMsg, sizeof(errMsg), err);
		fprintf(stderr, "   无法打开文件 'test.txt': %s (errno=%d)\n",
			errMsg, err);
	}

	printf("\n");

	// 示例4: 成功的操作
	printf("4. 成功操作示例:\n");
	err = fopen_s(&file, "main.c", "r");
	if (err == 0) {
		printf("   成功打开 main.c 文件!\n");
		fclose(file);
	}
	else {
		perror("   打开 main.c 失败");
	}

	return 0;
}

13. 第十二章结束语

至此，常见的库函数已经基本上介绍完毕。

其他的库函数可以在用到的时候自行搜索了解学习。

本文来源： 青江的个人站
本文链接： https://hanqingjiang.com/2026/02/10/20260210_C_common_libs/
版权声明： 本作品采用 CC BY-NC-SA 4.0 进行许可。转载请注明出处！

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