2023-10-16 itoa函数的局限以及实现

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前言

把一个数用某种进制打印, 是一个很有用的功能,

值得庆幸的是, C语言有这么一个函数itoa(), 它可以把一个数转换为2至36进制的字符串,

但不那么幸运的是, 这个函数只是存在于某些编译器中, 比如Windows下的clang, 但Linux下, 则没有这个函数.

不过这也不是什么问题, 既然选择用C语言, 造轮子就是程序员的命运, 做个函数实现, 并不困难.

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一、功能描述

itoa()函数需要传入三个参数,

一个无符号整数num, 基于num进行进制转换,

一个字符指针string, 为了安全, 至少需要33字节, 因为我们要实现一个转换32位的函数, 如果是2进制, 最大需要32位, 外加一个末尾0,

一个进制限制radix, 从2到36, 再多也可以, 但是意义不大.

函数返回赋值后的string字符指针, 因此函数原先应该是:

char *itoa(uint32_t num, char *string, uint32_t radix);

二、具体实现

对于第一版, 实现如下:

#include 
#include 

char *itoa(uint32_t num, char *string, uint32_t radix)
{
    static char arr[40];
    arr[0] = '0';

    static int index;
    index = 31;

    while (num)
    {
        static uint32_t numA;
        numA = num % radix;
        arr[index--] = (char)(numA > 9 ? numA - 10 + 'a' : numA + '0');
        num /= radix;
    }

    static char *rest;
    rest = arr + (index == 31 ? 0 : index + 1);

    strncpy(string, rest, 32 - index);

    return string;
}

但有两个问题可以进行改进,

其一, 进制限制没有判断, 如果是超过2至36的其它数则会出现比较奇怪的输出, 需要打个补丁.

其二, 基于效率, 字符转换用了三目运算, 这个可能比较吃效率, 需要优化.

第二版实现:

#include 
#include 

char *itoa(uint32_t num, char *string, uint32_t radix)
{
    // 如果进制限制超出范围, 则返回空字符串
    if (radix < 2 || radix > 36)
    {
        string[0] = '\0';
        return string;
    }

    // 如果num等于0, 则直接赋值为0, 返回
    if (num == 0)
    {
        string[0] = '0';
        string[1] = '\0';
        return string;
    }

    // 建立一个buffer, 40的空间足够容纳所有转换字符
    static char arr[40];

    // 建立一个索引, 用于从后向前填充字符
    static int index;
    index = 31;

    while (num)
    {
        // 直接通过数组引用赋值, 免去分支以及计算
        arr[index--] = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"[num % radix];
        num /= radix;
    }

    // 这个函数的参数比较值得关注
    // arr + index + 1 是指向最后被赋值的字符位置的指针
    // 32 - index 是赋值字符数量 + 1 多一个字符位是给末尾0的
    strncpy(string, (arr + index + 1), (32 - index));

    return string;
}

实现中没有考虑到有符号的问题, 因为C语言中, 本身十六进制或二进制就没有符号,

当然, 如果有必要设计符号的转换, 也不难, 但函数的形参类型需要转换, 大家可以自己研究.

测试用例:

#include 
#include 
#include 

char *itoa(uint32_t num, char *string, uint32_t radix);

int main()
{
    char str[40] = "abcdabcdabcdabcdabcdabcdabcdabcdabcd";
    itoa(255, str, 16);
    itoa(8, str, 16);
    itoa(-1, str, 2);
    itoa(0, str, 2);
    itoa(0, str, 1);

    return 0;
}

char *itoa(uint32_t num, char *string, uint32_t radix)
{
    // 如果进制限制超出范围, 则返回空字符串
    if (radix < 2 || radix > 36)
    {
        string[0] = '\0';
        return string;
    }

    // 如果num等于0, 则直接赋值为0, 返回
    if (num == 0)
    {
        string[0] = '0';
        string[1] = '\0';
        return string;
    }

    // 建立一个buffer, 40的空间足够容纳所有转换字符
    static char arr[40];

    // 建立一个索引, 用于从后向前填充字符
    static int index;
    index = 31;

    while (num)
    {
        // 直接通过数组引用赋值, 免去分支以及计算
        arr[index--] = "0123456789abcdefghijklmnopqrstuvwxyz"[num % radix];
        num /= radix;
    }

    // 这个函数的参数比较值得关注
    // arr + index + 1 是指向最后被赋值的字符位置的指针
    // 32 - index 是赋值字符数量 + 1 多一个字符位是给末尾0的
    strncpy(string, (arr + index + 1), (32 - index));

    return string;
}

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总结

设计一个可用的库函数比想象的还是要难一些, 需要考虑到很多问题, 兼容性, 可移植性, 效率, 以及使用者的理解, 从这一个小小的函数实现, 就可见难度之大, 所以说, 有时候认为自己设计的东西随便就能碾压库函数, 那可能是梦的深沉, 没有睡醒.

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