Move some fenv.h override macros to generic math_private.h.
[glibc.git] / manual / lang.texi
blobca90a59f8f8c81eede0152bc5944be8ce79c3f64
1 @c This node must have no pointers.
2 @node Language Features
3 @c @node Language Features, Library Summary, , Top
4 @c %MENU% C language features provided by the library
5 @appendix C Language Facilities in the Library
7 Some of the facilities implemented by the C library really should be
8 thought of as parts of the C language itself.  These facilities ought to
9 be documented in the C Language Manual, not in the library manual; but
10 since we don't have the language manual yet, and documentation for these
11 features has been written, we are publishing it here.
13 @menu
14 * Consistency Checking::        Using @code{assert} to abort if
15                                  something ``impossible'' happens.
16 * Variadic Functions::          Defining functions with varying numbers
17                                  of args.
18 * Null Pointer Constant::       The macro @code{NULL}.
19 * Important Data Types::        Data types for object sizes.
20 * Data Type Measurements::      Parameters of data type representations.
21 @end menu
23 @node Consistency Checking
24 @section Explicitly Checking Internal Consistency
25 @cindex consistency checking
26 @cindex impossible events
27 @cindex assertions
29 When you're writing a program, it's often a good idea to put in checks
30 at strategic places for ``impossible'' errors or violations of basic
31 assumptions.  These kinds of checks are helpful in debugging problems
32 with the interfaces between different parts of the program, for example.
34 @pindex assert.h
35 The @code{assert} macro, defined in the header file @file{assert.h},
36 provides a convenient way to abort the program while printing a message
37 about where in the program the error was detected.
39 @vindex NDEBUG
40 Once you think your program is debugged, you can disable the error
41 checks performed by the @code{assert} macro by recompiling with the
42 macro @code{NDEBUG} defined.  This means you don't actually have to
43 change the program source code to disable these checks.
45 But disabling these consistency checks is undesirable unless they make
46 the program significantly slower.  All else being equal, more error
47 checking is good no matter who is running the program.  A wise user
48 would rather have a program crash, visibly, than have it return nonsense
49 without indicating anything might be wrong.
51 @deftypefn Macro void assert (int @var{expression})
52 @standards{ISO, assert.h}
53 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@asunsafe{@ascuheap{} @asucorrupt{}}@acunsafe{@acsmem{} @aculock{} @acucorrupt{}}}
54 @c assert_fail_base calls asprintf, and fflushes stderr.
55 Verify the programmer's belief that @var{expression} is nonzero at
56 this point in the program.
58 If @code{NDEBUG} is not defined, @code{assert} tests the value of
59 @var{expression}.  If it is false (zero), @code{assert} aborts the
60 program (@pxref{Aborting a Program}) after printing a message of the
61 form:
63 @smallexample
64 @file{@var{file}}:@var{linenum}: @var{function}: Assertion `@var{expression}' failed.
65 @end smallexample
67 @noindent
68 on the standard error stream @code{stderr} (@pxref{Standard Streams}).
69 The filename and line number are taken from the C preprocessor macros
70 @code{__FILE__} and @code{__LINE__} and specify where the call to
71 @code{assert} was made.  When using the GNU C compiler, the name of
72 the function which calls @code{assert} is taken from the built-in
73 variable @code{__PRETTY_FUNCTION__}; with older compilers, the function
74 name and following colon are omitted.
76 If the preprocessor macro @code{NDEBUG} is defined before
77 @file{assert.h} is included, the @code{assert} macro is defined to do
78 absolutely nothing.
80 @strong{Warning:} Even the argument expression @var{expression} is not
81 evaluated if @code{NDEBUG} is in effect.  So never use @code{assert}
82 with arguments that involve side effects.  For example, @code{assert
83 (++i > 0);} is a bad idea, because @code{i} will not be incremented if
84 @code{NDEBUG} is defined.
85 @end deftypefn
87 Sometimes the ``impossible'' condition you want to check for is an error
88 return from an operating system function.  Then it is useful to display
89 not only where the program crashes, but also what error was returned.
90 The @code{assert_perror} macro makes this easy.
92 @deftypefn Macro void assert_perror (int @var{errnum})
93 @standards{GNU, assert.h}
94 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@asunsafe{@ascuheap{} @asucorrupt{}}@acunsafe{@acsmem{} @aculock{} @acucorrupt{}}}
95 @c assert_fail_base calls asprintf, and fflushes stderr.
96 Similar to @code{assert}, but verifies that @var{errnum} is zero.
98 If @code{NDEBUG} is not defined, @code{assert_perror} tests the value of
99 @var{errnum}.  If it is nonzero, @code{assert_perror} aborts the program
100 after printing a message of the form:
102 @smallexample
103 @file{@var{file}}:@var{linenum}: @var{function}: @var{error text}
104 @end smallexample
106 @noindent
107 on the standard error stream.  The file name, line number, and function
108 name are as for @code{assert}.  The error text is the result of
109 @w{@code{strerror (@var{errnum})}}.  @xref{Error Messages}.
111 Like @code{assert}, if @code{NDEBUG} is defined before @file{assert.h}
112 is included, the @code{assert_perror} macro does absolutely nothing.  It
113 does not evaluate the argument, so @var{errnum} should not have any side
114 effects.  It is best for @var{errnum} to be just a simple variable
115 reference; often it will be @code{errno}.
117 This macro is a GNU extension.
118 @end deftypefn
120 @strong{Usage note:} The @code{assert} facility is designed for
121 detecting @emph{internal inconsistency}; it is not suitable for
122 reporting invalid input or improper usage by the @emph{user} of the
123 program.
125 The information in the diagnostic messages printed by the @code{assert}
126 and @code{assert_perror} macro is intended to help you, the programmer,
127 track down the cause of a bug, but is not really useful for telling a user
128 of your program why his or her input was invalid or why a command could not
129 be carried out.  What's more, your program should not abort when given
130 invalid input, as @code{assert} would do---it should exit with nonzero
131 status (@pxref{Exit Status}) after printing its error messages, or perhaps
132 read another command or move on to the next input file.
134 @xref{Error Messages}, for information on printing error messages for
135 problems that @emph{do not} represent bugs in the program.
138 @node Variadic Functions
139 @section Variadic Functions
140 @cindex variable number of arguments
141 @cindex variadic functions
142 @cindex optional arguments
144 @w{ISO C} defines a syntax for declaring a function to take a variable
145 number or type of arguments.  (Such functions are referred to as
146 @dfn{varargs functions} or @dfn{variadic functions}.)  However, the
147 language itself provides no mechanism for such functions to access their
148 non-required arguments; instead, you use the variable arguments macros
149 defined in @file{stdarg.h}.
151 This section describes how to declare variadic functions, how to write
152 them, and how to call them properly.
154 @strong{Compatibility Note:} Many older C dialects provide a similar,
155 but incompatible, mechanism for defining functions with variable numbers
156 of arguments, using @file{varargs.h}.
158 @menu
159 * Why Variadic::                Reasons for making functions take
160                                  variable arguments.
161 * How Variadic::                How to define and call variadic functions.
162 * Variadic Example::            A complete example.
163 @end menu
165 @node Why Variadic
166 @subsection Why Variadic Functions are Used
168 Ordinary C functions take a fixed number of arguments.  When you define
169 a function, you specify the data type for each argument.  Every call to
170 the function should supply the expected number of arguments, with types
171 that can be converted to the specified ones.  Thus, if the function
172 @samp{foo} is declared with @code{int foo (int, char *);} then you must
173 call it with two arguments, a number (any kind will do) and a string
174 pointer.
176 But some functions perform operations that can meaningfully accept an
177 unlimited number of arguments.
179 In some cases a function can handle any number of values by operating on
180 all of them as a block.  For example, consider a function that allocates
181 a one-dimensional array with @code{malloc} to hold a specified set of
182 values.  This operation makes sense for any number of values, as long as
183 the length of the array corresponds to that number.  Without facilities
184 for variable arguments, you would have to define a separate function for
185 each possible array size.
187 The library function @code{printf} (@pxref{Formatted Output}) is an
188 example of another class of function where variable arguments are
189 useful.  This function prints its arguments (which can vary in type as
190 well as number) under the control of a format template string.
192 These are good reasons to define a @dfn{variadic} function which can
193 handle as many arguments as the caller chooses to pass.
195 Some functions such as @code{open} take a fixed set of arguments, but
196 occasionally ignore the last few.  Strict adherence to @w{ISO C} requires
197 these functions to be defined as variadic; in practice, however, the GNU
198 C compiler and most other C compilers let you define such a function to
199 take a fixed set of arguments---the most it can ever use---and then only
200 @emph{declare} the function as variadic (or not declare its arguments
201 at all!).
203 @node How Variadic
204 @subsection How Variadic Functions are Defined and Used
206 Defining and using a variadic function involves three steps:
208 @itemize @bullet
209 @item
210 @emph{Define} the function as variadic, using an ellipsis
211 (@samp{@dots{}}) in the argument list, and using special macros to
212 access the variable arguments.  @xref{Receiving Arguments}.
214 @item
215 @emph{Declare} the function as variadic, using a prototype with an
216 ellipsis (@samp{@dots{}}), in all the files which call it.
217 @xref{Variadic Prototypes}.
219 @item
220 @emph{Call} the function by writing the fixed arguments followed by the
221 additional variable arguments.  @xref{Calling Variadics}.
222 @end itemize
224 @menu
225 * Variadic Prototypes::  How to make a prototype for a function
226                           with variable arguments.
227 * Receiving Arguments::  Steps you must follow to access the
228                           optional argument values.
229 * How Many Arguments::   How to decide whether there are more arguments.
230 * Calling Variadics::    Things you need to know about calling
231                           variable arguments functions.
232 * Argument Macros::      Detailed specification of the macros
233                           for accessing variable arguments.
234 @end menu
236 @node Variadic Prototypes
237 @subsubsection Syntax for Variable Arguments
238 @cindex function prototypes (variadic)
239 @cindex prototypes for variadic functions
240 @cindex variadic function prototypes
242 A function that accepts a variable number of arguments must be declared
243 with a prototype that says so.   You write the fixed arguments as usual,
244 and then tack on @samp{@dots{}} to indicate the possibility of
245 additional arguments.  The syntax of @w{ISO C} requires at least one fixed
246 argument before the @samp{@dots{}}.  For example,
248 @smallexample
250 func (const char *a, int b, @dots{})
252   @dots{}
254 @end smallexample
256 @noindent
257 defines a function @code{func} which returns an @code{int} and takes two
258 required arguments, a @code{const char *} and an @code{int}.  These are
259 followed by any number of anonymous arguments.
261 @strong{Portability note:} For some C compilers, the last required
262 argument must not be declared @code{register} in the function
263 definition.  Furthermore, this argument's type must be
264 @dfn{self-promoting}: that is, the default promotions must not change
265 its type.  This rules out array and function types, as well as
266 @code{float}, @code{char} (whether signed or not) and @w{@code{short int}}
267 (whether signed or not).  This is actually an @w{ISO C} requirement.
269 @node Receiving Arguments
270 @subsubsection Receiving the Argument Values
271 @cindex variadic function argument access
272 @cindex arguments (variadic functions)
274 Ordinary fixed arguments have individual names, and you can use these
275 names to access their values.  But optional arguments have no
276 names---nothing but @samp{@dots{}}.  How can you access them?
278 @pindex stdarg.h
279 The only way to access them is sequentially, in the order they were
280 written, and you must use special macros from @file{stdarg.h} in the
281 following three step process:
283 @enumerate
284 @item
285 You initialize an argument pointer variable of type @code{va_list} using
286 @code{va_start}.  The argument pointer when initialized points to the
287 first optional argument.
289 @item
290 You access the optional arguments by successive calls to @code{va_arg}.
291 The first call to @code{va_arg} gives you the first optional argument,
292 the next call gives you the second, and so on.
294 You can stop at any time if you wish to ignore any remaining optional
295 arguments.  It is perfectly all right for a function to access fewer
296 arguments than were supplied in the call, but you will get garbage
297 values if you try to access too many arguments.
299 @item
300 You indicate that you are finished with the argument pointer variable by
301 calling @code{va_end}.
303 (In practice, with most C compilers, calling @code{va_end} does nothing.
304 This is always true in the GNU C compiler.  But you might as well call
305 @code{va_end} just in case your program is someday compiled with a peculiar
306 compiler.)
307 @end enumerate
309 @xref{Argument Macros}, for the full definitions of @code{va_start},
310 @code{va_arg} and @code{va_end}.
312 Steps 1 and 3 must be performed in the function that accepts the
313 optional arguments.  However, you can pass the @code{va_list} variable
314 as an argument to another function and perform all or part of step 2
315 there.
317 You can perform the entire sequence of three steps multiple times
318 within a single function invocation.  If you want to ignore the optional
319 arguments, you can do these steps zero times.
321 You can have more than one argument pointer variable if you like.  You
322 can initialize each variable with @code{va_start} when you wish, and
323 then you can fetch arguments with each argument pointer as you wish.
324 Each argument pointer variable will sequence through the same set of
325 argument values, but at its own pace.
327 @strong{Portability note:} With some compilers, once you pass an
328 argument pointer value to a subroutine, you must not keep using the same
329 argument pointer value after that subroutine returns.  For full
330 portability, you should just pass it to @code{va_end}.  This is actually
331 an @w{ISO C} requirement, but most ANSI C compilers work happily
332 regardless.
334 @node How Many Arguments
335 @subsubsection How Many Arguments Were Supplied
336 @cindex number of arguments passed
337 @cindex how many arguments
338 @cindex arguments, how many
340 There is no general way for a function to determine the number and type
341 of the optional arguments it was called with.  So whoever designs the
342 function typically designs a convention for the caller to specify the number
343 and type of arguments.  It is up to you to define an appropriate calling
344 convention for each variadic function, and write all calls accordingly.
346 One kind of calling convention is to pass the number of optional
347 arguments as one of the fixed arguments.  This convention works provided
348 all of the optional arguments are of the same type.
350 A similar alternative is to have one of the required arguments be a bit
351 mask, with a bit for each possible purpose for which an optional
352 argument might be supplied.  You would test the bits in a predefined
353 sequence; if the bit is set, fetch the value of the next argument,
354 otherwise use a default value.
356 A required argument can be used as a pattern to specify both the number
357 and types of the optional arguments.  The format string argument to
358 @code{printf} is one example of this (@pxref{Formatted Output Functions}).
360 Another possibility is to pass an ``end marker'' value as the last
361 optional argument.  For example, for a function that manipulates an
362 arbitrary number of pointer arguments, a null pointer might indicate the
363 end of the argument list.  (This assumes that a null pointer isn't
364 otherwise meaningful to the function.)  The @code{execl} function works
365 in just this way; see @ref{Executing a File}.
368 @node Calling Variadics
369 @subsubsection Calling Variadic Functions
370 @cindex variadic functions, calling
371 @cindex calling variadic functions
372 @cindex declaring variadic functions
374 You don't have to do anything special to call a variadic function.
375 Just put the arguments (required arguments, followed by optional ones)
376 inside parentheses, separated by commas, as usual.  But you must declare
377 the function with a prototype and know how the argument values are converted.
379 In principle, functions that are @emph{defined} to be variadic must also
380 be @emph{declared} to be variadic using a function prototype whenever
381 you call them.  (@xref{Variadic Prototypes}, for how.)  This is because
382 some C compilers use a different calling convention to pass the same set
383 of argument values to a function depending on whether that function
384 takes variable arguments or fixed arguments.
386 In practice, the GNU C compiler always passes a given set of argument
387 types in the same way regardless of whether they are optional or
388 required.  So, as long as the argument types are self-promoting, you can
389 safely omit declaring them.  Usually it is a good idea to declare the
390 argument types for variadic functions, and indeed for all functions.
391 But there are a few functions which it is extremely convenient not to
392 have to declare as variadic---for example, @code{open} and
393 @code{printf}.
395 @cindex default argument promotions
396 @cindex argument promotion
397 Since the prototype doesn't specify types for optional arguments, in a
398 call to a variadic function the @dfn{default argument promotions} are
399 performed on the optional argument values.  This means the objects of
400 type @code{char} or @w{@code{short int}} (whether signed or not) are
401 promoted to either @code{int} or @w{@code{unsigned int}}, as
402 appropriate; and that objects of type @code{float} are promoted to type
403 @code{double}.  So, if the caller passes a @code{char} as an optional
404 argument, it is promoted to an @code{int}, and the function can access
405 it with @code{va_arg (@var{ap}, int)}.
407 Conversion of the required arguments is controlled by the function
408 prototype in the usual way: the argument expression is converted to the
409 declared argument type as if it were being assigned to a variable of
410 that type.
412 @node Argument Macros
413 @subsubsection Argument Access Macros
415 Here are descriptions of the macros used to retrieve variable arguments.
416 These macros are defined in the header file @file{stdarg.h}.
417 @pindex stdarg.h
419 @deftp {Data Type} va_list
420 @standards{ISO, stdarg.h}
421 The type @code{va_list} is used for argument pointer variables.
422 @end deftp
424 @deftypefn {Macro} void va_start (va_list @var{ap}, @var{last-required})
425 @standards{ISO, stdarg.h}
426 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@assafe{}@acsafe{}}
427 @c This is no longer provided by glibc, but rather by the compiler.
428 This macro initializes the argument pointer variable @var{ap} to point
429 to the first of the optional arguments of the current function;
430 @var{last-required} must be the last required argument to the function.
431 @end deftypefn
433 @deftypefn {Macro} @var{type} va_arg (va_list @var{ap}, @var{type})
434 @standards{ISO, stdarg.h}
435 @safety{@prelim{}@mtsafe{@mtsrace{:ap}}@assafe{}@acunsafe{@acucorrupt{}}}
436 @c This is no longer provided by glibc, but rather by the compiler.
437 @c Unlike the other va_ macros, that either start/end the lifetime of
438 @c the va_list object or don't modify it, this one modifies ap, and it
439 @c may leave it in a partially updated state.
440 The @code{va_arg} macro returns the value of the next optional argument,
441 and modifies the value of @var{ap} to point to the subsequent argument.
442 Thus, successive uses of @code{va_arg} return successive optional
443 arguments.
445 The type of the value returned by @code{va_arg} is @var{type} as
446 specified in the call.  @var{type} must be a self-promoting type (not
447 @code{char} or @code{short int} or @code{float}) that matches the type
448 of the actual argument.
449 @end deftypefn
451 @deftypefn {Macro} void va_end (va_list @var{ap})
452 @standards{ISO, stdarg.h}
453 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@assafe{}@acsafe{}}
454 @c This is no longer provided by glibc, but rather by the compiler.
455 This ends the use of @var{ap}.  After a @code{va_end} call, further
456 @code{va_arg} calls with the same @var{ap} may not work.  You should invoke
457 @code{va_end} before returning from the function in which @code{va_start}
458 was invoked with the same @var{ap} argument.
460 In @theglibc{}, @code{va_end} does nothing, and you need not ever
461 use it except for reasons of portability.
462 @refill
463 @end deftypefn
465 Sometimes it is necessary to parse the list of parameters more than once
466 or one wants to remember a certain position in the parameter list.  To
467 do this, one will have to make a copy of the current value of the
468 argument.  But @code{va_list} is an opaque type and one cannot necessarily
469 assign the value of one variable of type @code{va_list} to another variable
470 of the same type.
472 @deftypefn {Macro} void va_copy (va_list @var{dest}, va_list @var{src})
473 @deftypefnx {Macro} void __va_copy (va_list @var{dest}, va_list @var{src})
474 @standardsx{va_copy, C99, stdarg.h}
475 @standardsx{__va_copy, GNU, stdarg.h}
476 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@assafe{}@acsafe{}}
477 The @code{va_copy} macro allows copying of objects of type
478 @code{va_list} even if this is not an integral type.  The argument pointer
479 in @var{dest} is initialized to point to the same argument as the
480 pointer in @var{src}.
482 @code{va_copy} was added in ISO C99.  When building for strict
483 conformance to ISO C90 (@samp{gcc -std=c90}), it is not available.
484 GCC provides @code{__va_copy}, as an extension, in any standards mode;
485 before GCC 3.0, it was the only macro for this functionality.
487 These macros are no longer provided by @theglibc{}, but rather by the
488 compiler.
489 @end deftypefn
491 If you want to use @code{va_copy} and be portable to pre-C99 systems,
492 you should always be prepared for the
493 possibility that this macro will not be available.  On architectures where a
494 simple assignment is invalid, hopefully @code{va_copy} @emph{will} be available,
495 so one should always write something like this if concerned about
496 pre-C99 portability:
498 @smallexample
500   va_list ap, save;
501   @dots{}
502 #ifdef va_copy
503   va_copy (save, ap);
504 #else
505   save = ap;
506 #endif
507   @dots{}
509 @end smallexample
512 @node Variadic Example
513 @subsection Example of a Variadic Function
515 Here is a complete sample function that accepts a variable number of
516 arguments.  The first argument to the function is the count of remaining
517 arguments, which are added up and the result returned.  While trivial,
518 this function is sufficient to illustrate how to use the variable
519 arguments facility.
521 @comment Yes, this example has been tested.
522 @smallexample
523 @include add.c.texi
524 @end smallexample
526 @node Null Pointer Constant
527 @section Null Pointer Constant
528 @cindex null pointer constant
530 The null pointer constant is guaranteed not to point to any real object.
531 You can assign it to any pointer variable since it has type @code{void
532 *}.  The preferred way to write a null pointer constant is with
533 @code{NULL}.
535 @deftypevr Macro {void *} NULL
536 @standards{ISO, stddef.h}
537 This is a null pointer constant.
538 @end deftypevr
540 You can also use @code{0} or @code{(void *)0} as a null pointer
541 constant, but using @code{NULL} is cleaner because it makes the purpose
542 of the constant more evident.
544 If you use the null pointer constant as a function argument, then for
545 complete portability you should make sure that the function has a
546 prototype declaration.  Otherwise, if the target machine has two
547 different pointer representations, the compiler won't know which
548 representation to use for that argument.  You can avoid the problem by
549 explicitly casting the constant to the proper pointer type, but we
550 recommend instead adding a prototype for the function you are calling.
552 @node Important Data Types
553 @section Important Data Types
555 The result of subtracting two pointers in C is always an integer, but the
556 precise data type varies from C compiler to C compiler.  Likewise, the
557 data type of the result of @code{sizeof} also varies between compilers.
558 ISO C defines standard aliases for these two types, so you can refer to
559 them in a portable fashion.  They are defined in the header file
560 @file{stddef.h}.
561 @pindex stddef.h
563 @deftp {Data Type} ptrdiff_t
564 @standards{ISO, stddef.h}
565 This is the signed integer type of the result of subtracting two
566 pointers.  For example, with the declaration @code{char *p1, *p2;}, the
567 expression @code{p2 - p1} is of type @code{ptrdiff_t}.  This will
568 probably be one of the standard signed integer types (@w{@code{short
569 int}}, @code{int} or @w{@code{long int}}), but might be a nonstandard
570 type that exists only for this purpose.
571 @end deftp
573 @deftp {Data Type} size_t
574 @standards{ISO, stddef.h}
575 This is an unsigned integer type used to represent the sizes of objects.
576 The result of the @code{sizeof} operator is of this type, and functions
577 such as @code{malloc} (@pxref{Unconstrained Allocation}) and
578 @code{memcpy} (@pxref{Copying Strings and Arrays}) accept arguments of
579 this type to specify object sizes.  On systems using @theglibc{}, this
580 will be @w{@code{unsigned int}} or @w{@code{unsigned long int}}.
582 @strong{Usage Note:} @code{size_t} is the preferred way to declare any
583 arguments or variables that hold the size of an object.
584 @end deftp
586 @strong{Compatibility Note:} Implementations of C before the advent of
587 @w{ISO C} generally used @code{unsigned int} for representing object sizes
588 and @code{int} for pointer subtraction results.  They did not
589 necessarily define either @code{size_t} or @code{ptrdiff_t}.  Unix
590 systems did define @code{size_t}, in @file{sys/types.h}, but the
591 definition was usually a signed type.
593 @node Data Type Measurements
594 @section Data Type Measurements
596 Most of the time, if you choose the proper C data type for each object
597 in your program, you need not be concerned with just how it is
598 represented or how many bits it uses.  When you do need such
599 information, the C language itself does not provide a way to get it.
600 The header files @file{limits.h} and @file{float.h} contain macros
601 which give you this information in full detail.
603 @menu
604 * Width of Type::           How many bits does an integer type hold?
605 * Range of Type::           What are the largest and smallest values
606                              that an integer type can hold?
607 * Floating Type Macros::    Parameters that measure the floating point types.
608 * Structure Measurement::   Getting measurements on structure types.
609 @end menu
611 @node Width of Type
612 @subsection Width of an Integer Type
613 @cindex integer type width
614 @cindex width of integer type
615 @cindex type measurements, integer
616 @pindex limits.h
618 TS 18661-1:2014 defines macros for the width of integer types (the
619 number of value and sign bits).  One benefit of these macros is they
620 can be used in @code{#if} preprocessor directives, whereas
621 @code{sizeof} cannot.  The following macros are defined in
622 @file{limits.h}.
624 @vtable @code
625 @item CHAR_WIDTH
626 @itemx SCHAR_WIDTH
627 @itemx UCHAR_WIDTH
628 @itemx SHRT_WIDTH
629 @itemx USHRT_WIDTH
630 @itemx INT_WIDTH
631 @itemx UINT_WIDTH
632 @itemx LONG_WIDTH
633 @itemx ULONG_WIDTH
634 @itemx LLONG_WIDTH
635 @itemx ULLONG_WIDTH
636 @standards{ISO, limits.h}
637 These are the widths of the types @code{char}, @code{signed char},
638 @code{unsigned char}, @code{short int}, @code{unsigned short int},
639 @code{int}, @code{unsigned int}, @code{long int}, @code{unsigned long
640 int}, @code{long long int} and @code{unsigned long long int},
641 respectively.
642 @end vtable
644 Further such macros are defined in @file{stdint.h}.  Apart from those
645 for types specified by width (@pxref{Integers}), the following are
646 defined:
648 @vtable @code
649 @item INTPTR_WIDTH
650 @itemx UINTPTR_WIDTH
651 @itemx PTRDIFF_WIDTH
652 @itemx SIG_ATOMIC_WIDTH
653 @itemx SIZE_WIDTH
654 @itemx WCHAR_WIDTH
655 @itemx WINT_WIDTH
656 @standards{ISO, stdint.h}
657 These are the widths of the types @code{intptr_t}, @code{uintptr_t},
658 @code{ptrdiff_t}, @code{sig_atomic_t}, @code{size_t}, @code{wchar_t}
659 and @code{wint_t}, respectively.
660 @end vtable
662 A common reason that a program needs to know how many bits are in an
663 integer type is for using an array of @code{unsigned long int} as a
664 bit vector.  You can access the bit at index @var{n} with:
666 @smallexample
667 vector[@var{n} / ULONG_WIDTH] & (1UL << (@var{n} % ULONG_WIDTH))
668 @end smallexample
670 Before @code{ULONG_WIDTH} was a part of the C language,
671 @code{CHAR_BIT} was used to compute the number of bits in an integer
672 data type.
674 @deftypevr Macro int CHAR_BIT
675 @standards{C90, limits.h}
676 This is the number of bits in a @code{char}.  POSIX.1-2001 requires
677 this to be 8.
678 @end deftypevr
680 The number of bits in any data type @var{type} can be computed like
681 this:
683 @smallexample
684 sizeof (@var{type}) * CHAR_BIT
685 @end smallexample
687 That expression includes padding bits as well as value and sign bits.
688 On all systems supported by @theglibc{}, standard integer types other
689 than @code{_Bool} do not have any padding bits.
691 @strong{Portability Note:} One cannot actually easily compute the
692 number of usable bits in a portable manner.
694 @node Range of Type
695 @subsection Range of an Integer Type
696 @cindex integer type range
697 @cindex range of integer type
698 @cindex limits, integer types
700 Suppose you need to store an integer value which can range from zero to
701 one million.  Which is the smallest type you can use?  There is no
702 general rule; it depends on the C compiler and target machine.  You can
703 use the @samp{MIN} and @samp{MAX} macros in @file{limits.h} to determine
704 which type will work.
706 Each signed integer type has a pair of macros which give the smallest
707 and largest values that it can hold.  Each unsigned integer type has one
708 such macro, for the maximum value; the minimum value is, of course,
709 zero.
711 The values of these macros are all integer constant expressions.  The
712 @samp{MAX} and @samp{MIN} macros for @code{char} and @w{@code{short
713 int}} types have values of type @code{int}.  The @samp{MAX} and
714 @samp{MIN} macros for the other types have values of the same type
715 described by the macro---thus, @code{ULONG_MAX} has type
716 @w{@code{unsigned long int}}.
718 @comment Extra blank lines make it look better.
719 @vtable @code
720 @item SCHAR_MIN
721 @standards{ISO, limits.h}
723 This is the minimum value that can be represented by a @w{@code{signed char}}.
725 @item SCHAR_MAX
726 @itemx UCHAR_MAX
727 @standards{ISO, limits.h}
729 These are the maximum values that can be represented by a
730 @w{@code{signed char}} and @w{@code{unsigned char}}, respectively.
732 @item CHAR_MIN
733 @standards{ISO, limits.h}
735 This is the minimum value that can be represented by a @code{char}.
736 It's equal to @code{SCHAR_MIN} if @code{char} is signed, or zero
737 otherwise.
739 @item CHAR_MAX
740 @standards{ISO, limits.h}
742 This is the maximum value that can be represented by a @code{char}.
743 It's equal to @code{SCHAR_MAX} if @code{char} is signed, or
744 @code{UCHAR_MAX} otherwise.
746 @item SHRT_MIN
747 @standards{ISO, limits.h}
749 This is the minimum value that can be represented by a @w{@code{signed
750 short int}}.  On most machines that @theglibc{} runs on,
751 @code{short} integers are 16-bit quantities.
753 @item SHRT_MAX
754 @itemx USHRT_MAX
755 @standards{ISO, limits.h}
757 These are the maximum values that can be represented by a
758 @w{@code{signed short int}} and @w{@code{unsigned short int}},
759 respectively.
761 @item INT_MIN
762 @standards{ISO, limits.h}
764 This is the minimum value that can be represented by a @w{@code{signed
765 int}}.  On most machines that @theglibc{} runs on, an @code{int} is
766 a 32-bit quantity.
768 @item INT_MAX
769 @itemx UINT_MAX
770 @standards{ISO, limits.h}
772 These are the maximum values that can be represented by, respectively,
773 the type @w{@code{signed int}} and the type @w{@code{unsigned int}}.
775 @item LONG_MIN
776 @standards{ISO, limits.h}
778 This is the minimum value that can be represented by a @w{@code{signed
779 long int}}.  On most machines that @theglibc{} runs on, @code{long}
780 integers are 32-bit quantities, the same size as @code{int}.
782 @item LONG_MAX
783 @itemx ULONG_MAX
784 @standards{ISO, limits.h}
786 These are the maximum values that can be represented by a
787 @w{@code{signed long int}} and @code{unsigned long int}, respectively.
789 @item LLONG_MIN
790 @standards{ISO, limits.h}
792 This is the minimum value that can be represented by a @w{@code{signed
793 long long int}}.  On most machines that @theglibc{} runs on,
794 @w{@code{long long}} integers are 64-bit quantities.
796 @item LLONG_MAX
797 @itemx ULLONG_MAX
798 @standards{ISO, limits.h}
800 These are the maximum values that can be represented by a @code{signed
801 long long int} and @code{unsigned long long int}, respectively.
803 @item LONG_LONG_MIN
804 @itemx LONG_LONG_MAX
805 @itemx ULONG_LONG_MAX
806 @standards{GNU, limits.h}
807 These are obsolete names for @code{LLONG_MIN}, @code{LLONG_MAX}, and
808 @code{ULLONG_MAX}.  They are only available if @code{_GNU_SOURCE} is
809 defined (@pxref{Feature Test Macros}).  In GCC versions prior to 3.0,
810 these were the only names available.
812 @item WCHAR_MAX
813 @standards{GNU, limits.h}
815 This is the maximum value that can be represented by a @code{wchar_t}.
816 @xref{Extended Char Intro}.
817 @end vtable
819 The header file @file{limits.h} also defines some additional constants
820 that parameterize various operating system and file system limits.  These
821 constants are described in @ref{System Configuration}.
823 @node Floating Type Macros
824 @subsection Floating Type Macros
825 @cindex floating type measurements
826 @cindex measurements of floating types
827 @cindex type measurements, floating
828 @cindex limits, floating types
830 The specific representation of floating point numbers varies from
831 machine to machine.  Because floating point numbers are represented
832 internally as approximate quantities, algorithms for manipulating
833 floating point data often need to take account of the precise details of
834 the machine's floating point representation.
836 Some of the functions in the C library itself need this information; for
837 example, the algorithms for printing and reading floating point numbers
838 (@pxref{I/O on Streams}) and for calculating trigonometric and
839 irrational functions (@pxref{Mathematics}) use it to avoid round-off
840 error and loss of accuracy.  User programs that implement numerical
841 analysis techniques also often need this information in order to
842 minimize or compute error bounds.
844 The header file @file{float.h} describes the format used by your
845 machine.
847 @menu
848 * Floating Point Concepts::     Definitions of terminology.
849 * Floating Point Parameters::   Details of specific macros.
850 * IEEE Floating Point::         The measurements for one common
851                                  representation.
852 @end menu
854 @node Floating Point Concepts
855 @subsubsection Floating Point Representation Concepts
857 This section introduces the terminology for describing floating point
858 representations.
860 You are probably already familiar with most of these concepts in terms
861 of scientific or exponential notation for floating point numbers.  For
862 example, the number @code{123456.0} could be expressed in exponential
863 notation as @code{1.23456e+05}, a shorthand notation indicating that the
864 mantissa @code{1.23456} is multiplied by the base @code{10} raised to
865 power @code{5}.
867 More formally, the internal representation of a floating point number
868 can be characterized in terms of the following parameters:
870 @itemize @bullet
871 @item
872 @cindex sign (of floating point number)
873 The @dfn{sign} is either @code{-1} or @code{1}.
875 @item
876 @cindex base (of floating point number)
877 @cindex radix (of floating point number)
878 The @dfn{base} or @dfn{radix} for exponentiation, an integer greater
879 than @code{1}.  This is a constant for a particular representation.
881 @item
882 @cindex exponent (of floating point number)
883 The @dfn{exponent} to which the base is raised.  The upper and lower
884 bounds of the exponent value are constants for a particular
885 representation.
887 @cindex bias (of floating point number exponent)
888 Sometimes, in the actual bits representing the floating point number,
889 the exponent is @dfn{biased} by adding a constant to it, to make it
890 always be represented as an unsigned quantity.  This is only important
891 if you have some reason to pick apart the bit fields making up the
892 floating point number by hand, which is something for which @theglibc{}
893 provides no support.  So this is ignored in the discussion that
894 follows.
896 @item
897 @cindex mantissa (of floating point number)
898 @cindex significand (of floating point number)
899 The @dfn{mantissa} or @dfn{significand} is an unsigned integer which is a
900 part of each floating point number.
902 @item
903 @cindex precision (of floating point number)
904 The @dfn{precision} of the mantissa.  If the base of the representation
905 is @var{b}, then the precision is the number of base-@var{b} digits in
906 the mantissa.  This is a constant for a particular representation.
908 @cindex hidden bit (of floating point number mantissa)
909 Many floating point representations have an implicit @dfn{hidden bit} in
910 the mantissa.  This is a bit which is present virtually in the mantissa,
911 but not stored in memory because its value is always 1 in a normalized
912 number.  The precision figure (see above) includes any hidden bits.
914 Again, @theglibc{} provides no facilities for dealing with such
915 low-level aspects of the representation.
916 @end itemize
918 The mantissa of a floating point number represents an implicit fraction
919 whose denominator is the base raised to the power of the precision.  Since
920 the largest representable mantissa is one less than this denominator, the
921 value of the fraction is always strictly less than @code{1}.  The
922 mathematical value of a floating point number is then the product of this
923 fraction, the sign, and the base raised to the exponent.
925 @cindex normalized floating point number
926 We say that the floating point number is @dfn{normalized} if the
927 fraction is at least @code{1/@var{b}}, where @var{b} is the base.  In
928 other words, the mantissa would be too large to fit if it were
929 multiplied by the base.  Non-normalized numbers are sometimes called
930 @dfn{denormal}; they contain less precision than the representation
931 normally can hold.
933 If the number is not normalized, then you can subtract @code{1} from the
934 exponent while multiplying the mantissa by the base, and get another
935 floating point number with the same value.  @dfn{Normalization} consists
936 of doing this repeatedly until the number is normalized.  Two distinct
937 normalized floating point numbers cannot be equal in value.
939 (There is an exception to this rule: if the mantissa is zero, it is
940 considered normalized.  Another exception happens on certain machines
941 where the exponent is as small as the representation can hold.  Then
942 it is impossible to subtract @code{1} from the exponent, so a number
943 may be normalized even if its fraction is less than @code{1/@var{b}}.)
945 @node Floating Point Parameters
946 @subsubsection Floating Point Parameters
948 @pindex float.h
949 These macro definitions can be accessed by including the header file
950 @file{float.h} in your program.
952 Macro names starting with @samp{FLT_} refer to the @code{float} type,
953 while names beginning with @samp{DBL_} refer to the @code{double} type
954 and names beginning with @samp{LDBL_} refer to the @code{long double}
955 type.  (If GCC does not support @code{long double} as a distinct data
956 type on a target machine then the values for the @samp{LDBL_} constants
957 are equal to the corresponding constants for the @code{double} type.)
959 Of these macros, only @code{FLT_RADIX} is guaranteed to be a constant
960 expression.  The other macros listed here cannot be reliably used in
961 places that require constant expressions, such as @samp{#if}
962 preprocessing directives or in the dimensions of static arrays.
964 Although the @w{ISO C} standard specifies minimum and maximum values for
965 most of these parameters, the GNU C implementation uses whatever values
966 describe the floating point representation of the target machine.  So in
967 principle GNU C actually satisfies the @w{ISO C} requirements only if the
968 target machine is suitable.  In practice, all the machines currently
969 supported are suitable.
971 @vtable @code
972 @item FLT_ROUNDS
973 @standards{C90, float.h}
974 This value characterizes the rounding mode for floating point addition.
975 The following values indicate standard rounding modes:
977 @need 750
979 @table @code
980 @item -1
981 The mode is indeterminable.
982 @item 0
983 Rounding is towards zero.
984 @item 1
985 Rounding is to the nearest number.
986 @item 2
987 Rounding is towards positive infinity.
988 @item 3
989 Rounding is towards negative infinity.
990 @end table
992 @noindent
993 Any other value represents a machine-dependent nonstandard rounding
994 mode.
996 On most machines, the value is @code{1}, in accordance with the IEEE
997 standard for floating point.
999 Here is a table showing how certain values round for each possible value
1000 of @code{FLT_ROUNDS}, if the other aspects of the representation match
1001 the IEEE single-precision standard.
1003 @smallexample
1004                 0      1             2             3
1005  1.00000003    1.0    1.0           1.00000012    1.0
1006  1.00000007    1.0    1.00000012    1.00000012    1.0
1007 -1.00000003   -1.0   -1.0          -1.0          -1.00000012
1008 -1.00000007   -1.0   -1.00000012   -1.0          -1.00000012
1009 @end smallexample
1011 @item FLT_RADIX
1012 @standards{C90, float.h}
1013 This is the value of the base, or radix, of the exponent representation.
1014 This is guaranteed to be a constant expression, unlike the other macros
1015 described in this section.  The value is 2 on all machines we know of
1016 except the IBM 360 and derivatives.
1018 @item FLT_MANT_DIG
1019 @standards{C90, float.h}
1020 This is the number of base-@code{FLT_RADIX} digits in the floating point
1021 mantissa for the @code{float} data type.  The following expression
1022 yields @code{1.0} (even though mathematically it should not) due to the
1023 limited number of mantissa digits:
1025 @smallexample
1026 float radix = FLT_RADIX;
1028 1.0f + 1.0f / radix / radix / @dots{} / radix
1029 @end smallexample
1031 @noindent
1032 where @code{radix} appears @code{FLT_MANT_DIG} times.
1034 @item DBL_MANT_DIG
1035 @itemx LDBL_MANT_DIG
1036 @standards{C90, float.h}
1037 This is the number of base-@code{FLT_RADIX} digits in the floating point
1038 mantissa for the data types @code{double} and @code{long double},
1039 respectively.
1041 @comment Extra blank lines make it look better.
1042 @item FLT_DIG
1043 @standards{C90, float.h}
1045 This is the number of decimal digits of precision for the @code{float}
1046 data type.  Technically, if @var{p} and @var{b} are the precision and
1047 base (respectively) for the representation, then the decimal precision
1048 @var{q} is the maximum number of decimal digits such that any floating
1049 point number with @var{q} base 10 digits can be rounded to a floating
1050 point number with @var{p} base @var{b} digits and back again, without
1051 change to the @var{q} decimal digits.
1053 The value of this macro is supposed to be at least @code{6}, to satisfy
1054 @w{ISO C}.
1056 @item DBL_DIG
1057 @itemx LDBL_DIG
1058 @standards{C90, float.h}
1060 These are similar to @code{FLT_DIG}, but for the data types
1061 @code{double} and @code{long double}, respectively.  The values of these
1062 macros are supposed to be at least @code{10}.
1064 @item FLT_MIN_EXP
1065 @standards{C90, float.h}
1066 This is the smallest possible exponent value for type @code{float}.
1067 More precisely, it is the minimum negative integer such that the value
1068 @code{FLT_RADIX} raised to this power minus 1 can be represented as a
1069 normalized floating point number of type @code{float}.
1071 @item DBL_MIN_EXP
1072 @itemx LDBL_MIN_EXP
1073 @standards{C90, float.h}
1075 These are similar to @code{FLT_MIN_EXP}, but for the data types
1076 @code{double} and @code{long double}, respectively.
1078 @item FLT_MIN_10_EXP
1079 @standards{C90, float.h}
1080 This is the minimum negative integer such that @code{10} raised to this
1081 power minus 1 can be represented as a normalized floating point number
1082 of type @code{float}.  This is supposed to be @code{-37} or even less.
1084 @item DBL_MIN_10_EXP
1085 @itemx LDBL_MIN_10_EXP
1086 @standards{C90, float.h}
1087 These are similar to @code{FLT_MIN_10_EXP}, but for the data types
1088 @code{double} and @code{long double}, respectively.
1090 @item FLT_MAX_EXP
1091 @standards{C90, float.h}
1092 This is the largest possible exponent value for type @code{float}.  More
1093 precisely, this is the maximum positive integer such that value
1094 @code{FLT_RADIX} raised to this power minus 1 can be represented as a
1095 floating point number of type @code{float}.
1097 @item DBL_MAX_EXP
1098 @itemx LDBL_MAX_EXP
1099 @standards{C90, float.h}
1100 These are similar to @code{FLT_MAX_EXP}, but for the data types
1101 @code{double} and @code{long double}, respectively.
1103 @item FLT_MAX_10_EXP
1104 @standards{C90, float.h}
1105 This is the maximum positive integer such that @code{10} raised to this
1106 power minus 1 can be represented as a normalized floating point number
1107 of type @code{float}.  This is supposed to be at least @code{37}.
1109 @item DBL_MAX_10_EXP
1110 @itemx LDBL_MAX_10_EXP
1111 @standards{C90, float.h}
1112 These are similar to @code{FLT_MAX_10_EXP}, but for the data types
1113 @code{double} and @code{long double}, respectively.
1115 @item FLT_MAX
1116 @standards{C90, float.h}
1118 The value of this macro is the maximum number representable in type
1119 @code{float}.  It is supposed to be at least @code{1E+37}.  The value
1120 has type @code{float}.
1122 The smallest representable number is @code{- FLT_MAX}.
1124 @item DBL_MAX
1125 @itemx LDBL_MAX
1126 @standards{C90, float.h}
1128 These are similar to @code{FLT_MAX}, but for the data types
1129 @code{double} and @code{long double}, respectively.  The type of the
1130 macro's value is the same as the type it describes.
1132 @item FLT_MIN
1133 @standards{C90, float.h}
1135 The value of this macro is the minimum normalized positive floating
1136 point number that is representable in type @code{float}.  It is supposed
1137 to be no more than @code{1E-37}.
1139 @item DBL_MIN
1140 @itemx LDBL_MIN
1141 @standards{C90, float.h}
1143 These are similar to @code{FLT_MIN}, but for the data types
1144 @code{double} and @code{long double}, respectively.  The type of the
1145 macro's value is the same as the type it describes.
1147 @item FLT_EPSILON
1148 @standards{C90, float.h}
1150 This is the difference between 1 and the smallest floating point
1151 number of type @code{float} that is greater than 1.  It's supposed to
1152 be no greater than @code{1E-5}.
1154 @item DBL_EPSILON
1155 @itemx LDBL_EPSILON
1156 @standards{C90, float.h}
1158 These are similar to @code{FLT_EPSILON}, but for the data types
1159 @code{double} and @code{long double}, respectively.  The type of the
1160 macro's value is the same as the type it describes.  The values are not
1161 supposed to be greater than @code{1E-9}.
1162 @end vtable
1164 @node IEEE Floating Point
1165 @subsubsection IEEE Floating Point
1166 @cindex IEEE floating point representation
1167 @cindex floating point, IEEE
1169 Here is an example showing how the floating type measurements come out
1170 for the most common floating point representation, specified by the
1171 @cite{IEEE Standard for Binary Floating Point Arithmetic (ANSI/IEEE Std
1172 754-1985)}.  Nearly all computers designed since the 1980s use this
1173 format.
1175 The IEEE single-precision float representation uses a base of 2.  There
1176 is a sign bit, a mantissa with 23 bits plus one hidden bit (so the total
1177 precision is 24 base-2 digits), and an 8-bit exponent that can represent
1178 values in the range -125 to 128, inclusive.
1180 So, for an implementation that uses this representation for the
1181 @code{float} data type, appropriate values for the corresponding
1182 parameters are:
1184 @smallexample
1185 FLT_RADIX                             2
1186 FLT_MANT_DIG                         24
1187 FLT_DIG                               6
1188 FLT_MIN_EXP                        -125
1189 FLT_MIN_10_EXP                      -37
1190 FLT_MAX_EXP                         128
1191 FLT_MAX_10_EXP                      +38
1192 FLT_MIN                 1.17549435E-38F
1193 FLT_MAX                 3.40282347E+38F
1194 FLT_EPSILON             1.19209290E-07F
1195 @end smallexample
1197 Here are the values for the @code{double} data type:
1199 @smallexample
1200 DBL_MANT_DIG                         53
1201 DBL_DIG                              15
1202 DBL_MIN_EXP                       -1021
1203 DBL_MIN_10_EXP                     -307
1204 DBL_MAX_EXP                        1024
1205 DBL_MAX_10_EXP                      308
1206 DBL_MAX         1.7976931348623157E+308
1207 DBL_MIN         2.2250738585072014E-308
1208 DBL_EPSILON     2.2204460492503131E-016
1209 @end smallexample
1211 @node Structure Measurement
1212 @subsection Structure Field Offset Measurement
1214 You can use @code{offsetof} to measure the location within a structure
1215 type of a particular structure member.
1217 @deftypefn {Macro} size_t offsetof (@var{type}, @var{member})
1218 @standards{ISO, stddef.h}
1219 @safety{@prelim{}@mtsafe{}@assafe{}@acsafe{}}
1220 @c This is no longer provided by glibc, but rather by the compiler.
1221 This expands to an integer constant expression that is the offset of the
1222 structure member named @var{member} in the structure type @var{type}.
1223 For example, @code{offsetof (struct s, elem)} is the offset, in bytes,
1224 of the member @code{elem} in a @code{struct s}.
1226 This macro won't work if @var{member} is a bit field; you get an error
1227 from the C compiler in that case.
1228 @end deftypefn