文字列を扱うライブラリ関数について

Question

###前提
書籍で勉強している学生です。
書籍の解答がないため問題のヒントや解説をしていただけると嬉しいです。

###問題
ライブラリ関数atoi, atol, atofと同じ動作を行う関数を作成せよ。

int    strtoi(const char *nptr){/* ... */}
long   strtol(const char *nptr){/* ... */}
double strtof(const char *nptr){/* ... */}

###該当のソースコード

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

/*類乗*/
double power (double n){
	double o = 1;
	if(n > 0){
		while(n--){
			o *= 10;
		}
	}else if(n == 0){
		o *= 1;
	}else{
		while(n--){
			o /= 10;
		}
	}
	return o;
}

/*整数部分の桁数*/
int integer (const char *nptr){
	int o = 0;
	while(*nptr){
		o++;
		nptr++;
		if(*nptr == '.')	break;
	}
	return o;
}

int strtoi (const char *nptr){
	int n = strlen(nptr);
	int o = 0;
	while(n--){
		o += (*nptr - '0') * (int)power(n);
		nptr++;
	}

	return o;
}

//strtolはstrtoiとの違いが分からず省略

double strtof(const char *nptr){
	int n = strlen(nptr);	//文字列の長さ
	double i = integer(nptr);	//整数部分
	double o = 0;

	while(n--){
		if(i > 0){
			o += (*nptr - '0') * (int)power(i);
		}else if(i < 0){
			o += (*nptr - '0') * (double)power(i);
		}
		nptr++;
		i--;
	}

	return o;

}

###疑問点
strtoi関数は何とか動作するのですが、strtof関数は動作さえしてくれません。
strtol関数は、strtoi関数との違いさえ分かりません。
どこが原因で動作していないのか、より良い方法がある、等があれば教えて頂けると嬉しいです。

また、自分は英語力があるほうではないため、atoi,atol等の単語の由来が分かりません。
出来れば、由来も教えて頂きたいです。
###補足情報
書籍　:　新明解c言語　入門編
演習 11-10

Answer 1

コメントを一旦削除させてもらってから、修正箇所をコメントアウトして修正してみました。
できるだけもとの形で、一部を修正する形にしてあります。

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

double power (double n){
    double o = 1;
    if(n > 0){
        while(n--){
            o *= 10;
        }
    }else if(n == 0){
        o *= 1;
    }else{
        // (1)
        // while(n--){
        while(n++){
            o /= 10;
        }
    }
    return o;
}

int integer (const char *nptr){
    int o = 0;
    while(*nptr){
        if(*nptr == '.')    break;
        o++;
        nptr++;
        // (2)
        // if(*nptr == '.')    break;
    }
    return o;
}

double strtof(const char *nptr){
    int n = strlen(nptr);
    // (3)
    // double i = integer(nptr);
    int i = integer(nptr);
    double o = 0;

    // (==A==)

    while(n--){
        // (==B==)
        if(i > 0){
            // (4)
            // o += (*nptr - '0') * (int)power(i);
            o += (*nptr - '0') * (int)power(i - 1);
        }else if(i < 0){
            o += (*nptr - '0') * (double)power(i);
        }
        nptr++;
        i--;
    }

    return o;

}

int main(void) {
    printf("%f\n", strtof(".24123"));
    printf("%f\n", strtof("43"));
    printf("%f\n", strtof("43.2"));
    printf("%f\n", strtof("543.24123"));
    return 0;
}

実行結果

0.241230
43.000000
43.200000
543.241230

といっても、修正箇所はたったの4箇所だけです。

(1) デクリメントではなくインクリメント

もともと n < 0 なので、デクリメントしていっても n == 0 には到達せず、ループの条件がずっと真です。おそらく凡ミスだろうと思いますが。
動作すらしない、というのはここの無限ループのせいだと思われます。

(2) integer() 関数

これは「まったく動作しない」ことには直接関係はありませんが、小数点が最初のケタにあった場合に対処できないので、if文を上にもっていきました。普通の小数ならば小数点は少なくとも2文字目以降ですが、0.XXXX のような小数で最初の 0 を省略して .XXXX と入力することも、個人的にはよくするので...

(3) 型？

integer() の戻り値、桁数は int なので、それにあわせて直してます。凡ミスでしょう。

(4) 累乗の指数ズレ

累乗の指数が1ずれています。よく考えると分かりますが、iは「残りの整数部分のケタ数」を表しているわけです。なので、たとえばi == 3のときは 100 〜 999 なわけです。一番上のケタは 10^2 の位ですよね。なので、一番上のケタは 10^(i-1) の位なのです。

ちなみにstrtoi() では n-1 としていないのに、なぜこちらでは必要なのでしょうか？strtoi()では、while(n--) {のデクリメントによって、while 文の条件を判定するときに既に-1されているからです。

---

このようなとき、どの部分でつまっているかを確かめるために printf デバッグが有効です。
私はまずソースの (==A==) の部分で n, i, o を表示させてみました。終了しない原因が integer() 関数にないことや、 integer() 関数の戻り値が正しいかどうかがここで確かめられます。次に入れるとしたら (==B==) の位置です。n と i を表示させながらループを観察します。そうすると i == -1 のときにループから戻ってこないことが分かります。きっと pow() 関数の、負値のときにバグがあるのだろうと推測することができます。

追記

もっと strtod() の挙動に近い str_to_d() を書いてみました。。。
コードが正しい保証・バグなく動く保証はまったくないです。見苦しいコードですが参考に...ならないか。
とりあえず追記しておきます。

さらなる追記: バグがありました 。例えば整数部・小数部とも省略されてしまった場合など。修正は容易ですが、今後修正していくことはできないため、鵜呑みにされることを避ける意味でも、バグがあるままにしておきます。これ以上の編集はしません。

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

#define WHITESPACE " \t\n\v\f\r"

// str の中から ch を探し、インデックスを返す。
// 見つからないときは -1
int find_ch(char const *str, char ch);

// ch が空白文字 WHITESPACE に含まれているかを返す
bool is_whitespace(char ch);

// 文字を十進整数にする
// 範囲外の場合は -1
int dec_to_digit(char ch);

// 文字を十六進整数にする
// 範囲外の場合は -1
int hex_to_digit(char ch);

// 符号を取得し、 nptr を進める
// 符号は、+なら1、-なら-1
int sign_and_eat(char const **nptr);

// ch が大文字だったら、小文字にする
char to_lower(char ch);

// s と t の先頭 n 文字が (大文字小文字の区別なしで) 等しいか返す。
bool is_same_n(char const *s, char const *t, size_t n);

// 基数 (0x) を取得し、 nptr を進める
int base_and_eat(char const **nptr);

// 整数部分 (小数点 or 指数表示の e, p まで) を取得し、
// nptr を進める。
int integer_part_and_eat(char const **nptr, int base);

// 小数部分 (小数点から指数表示の e, p か末尾まで) を取得し、
// nptr を進める。
double fraction_part_and_eat(char const **nptr, int base);

// base の n 乗を求める。
double pwr(double base, int n);

// 文字列を double に変換する。
double str_to_d(char const *nptr, char const **endptr);

int find_ch(char const *str, char ch) {
    for (int i = 0; str[i]; i++) {
        if (str[i] == ch) return i;
    }
    return -1;
}

bool is_whitespace(char ch) {
    return find_ch(WHITESPACE, ch) != -1;
}

int dec_to_digit(char ch) {
    if ('0' <= ch && ch <= '9') return ch - '0';
    return -1;
}

int hex_to_digit(char ch) {
    // まず10進の範囲での変換を試みる
    int dg = dec_to_digit(ch);
    if (dg != -1) return dg;

    // ダメなら文字を変換する
    if ('A' <= ch && ch <= 'F') return 10 + (ch - 'A');
    if ('a' <= ch && ch <= 'f') return 10 + (ch - 'a');
    return -1;
}

int sign_and_eat(char const **nptr) {
    // 符号がなければ + となるため
    int sign = 1;
    if (**nptr == '+') {
        (*nptr)++;
    } else if (**nptr == '-') {
        sign = -1;
        (*nptr)++;
    }
    return sign;
}

char to_lower(char ch) {
    if ('A' <= ch && ch <= 'Z') {
        ch = ch - 'A' + 'a';
    }
    return ch;
}

bool is_same_n(char const *s, char const *t, size_t n) {
    for (size_t i = 0; i < n; i++) {
        if (!s[i] || !t[i]) return false;
        if (to_lower(s[i]) != to_lower(t[i])) return false;
    }
    return true;
}

int base_and_eat(char const **nptr) {
    if (is_same_n(*nptr, "0x", 2)) {
        // 0x 始まり == 16進数
        *nptr += 2;
        return 16;
    }
    return 10;
}

int integer_part_and_eat(char const **nptr, int base, int (*to_digit)(char)) {
    int ans = 0;
    int dg;
    // 数字である限りは変換
    for ( ; **nptr && (dg = to_digit(**nptr)) != -1; (*nptr)++) {
        ans *= base;
        ans += dg;
    }
    return ans;
}

double fraction_part_and_eat(char const **nptr, int base, int (*to_digit)(char)) {
    double ans = 0;
    int dg;
    double pwr = 1. / base;
    // 数字である限りは変換
    for ( ; **nptr && (dg = to_digit(**nptr)) != -1; (*nptr)++) {
        ans += pwr * dg;
        pwr /= base;
    }
    return ans;
}

double pwr(double base, int n) {
    double ans = 1;
    if (n > 0) {
        for (int i = 0; i < n; i++)
            ans *= base;
    } else if (n < 0) {
        for (int i = 0; i < -n; i++)
            ans /= base;
    }
    return ans;
}

double str_to_d(char const *nptr, char const **endptr) {
#define FINISH_WHEN_ENDS() do { if (!*nptr) goto finish; } while (false)
    // とりあえず NAN, INFINITY に対応する
    if (is_same_n(nptr, "nan", 3)) {
        *endptr = nptr + 3;
        return NAN;
    } else if (is_same_n(nptr, "infinity", 8)) {
        *endptr = nptr + 8;
        return INFINITY;
    }

    char const *oldnptr;
    double ans = 0;
    int sign = 1; 
    // whitespace の読み飛ばし
    while (*nptr && is_whitespace(*nptr)) nptr++;

    // 符号ビット
    FINISH_WHEN_ENDS();
    sign = sign_and_eat(&nptr);

    // 基数
    FINISH_WHEN_ENDS();
    int base; base = base_and_eat(&nptr);
    char const *expchars; expchars = base == 10 ? "eE" : "pP";
    int (*to_digit)(char); to_digit = base == 10 ? dec_to_digit : hex_to_digit;

    // 数字または小数点でないなら終了
    FINISH_WHEN_ENDS();
    if (to_digit(*nptr) == -1 && *nptr != '.') goto finish;

    // 整数部分読み込み
    oldnptr = nptr;
    ans += integer_part_and_eat(&nptr, base, to_digit);
    bool read_integer; read_integer = oldnptr != nptr;

    // 小数点または expchars でなければ終了
    FINISH_WHEN_ENDS();
    bool read_dot; read_dot = false;
    if (*nptr == '.') {
        read_dot = true;
        nptr++;
    } else if (find_ch(expchars, *nptr) == -1) {
        goto finish;
    }

    // 小数部分読み込み
    oldnptr = nptr; // 変化したか確かめるため、とりあえず保存しておく。
    ans += fraction_part_and_eat(&nptr, base, to_digit);
    bool read_fraction; read_fraction = oldnptr != nptr;

    // expchars でないか、 expchars であっても、
    // 整数部省略小数であってかつ1つも進んでいない場合は終了
    FINISH_WHEN_ENDS();
    if (find_ch(expchars, *nptr) == -1
            || (!read_integer && read_dot && !read_fraction)) {
        if (!read_integer && read_dot && !read_fraction) {
            // なぜか標準はドットから返すので、 nptr を一つ戻しておく。
            nptr--;
        }
        goto finish;
    }
    nptr++;

    // 符号
    FINISH_WHEN_ENDS();
    int exp_sign; exp_sign = sign_and_eat(&nptr);

    // 値
    FINISH_WHEN_ENDS();
    int exp_num; exp_num = integer_part_and_eat(&nptr, base, to_digit);
    // 16進数の指数表示は底が2なので。
    double mulr; mulr = pwr(base == 10 ? 10 : 2, exp_num * exp_sign);
    ans *= mulr;

    if (*nptr) {
        // なぜか標準は e を食べないので、戻す。
        nptr--;
    }

finish:
    if (endptr) *endptr = nptr;
    return sign * ans;
}

int main(void)
{
    char const *tests[] = {
        "134", "-542", "4234.342", "-543.435", ".5453", "-.2343", "45e2", "453.34E+4", "545.3e-2", ".e2", "4.e2", 
        "0x42", "-0x53", "0x32.42", "-0x543.53", "0x.423", "-0x.432", "0x234p2", "0x512P+4", "0x515p-2", ".p3", "2.p3",
        "asdf", "23fab", "0xabgd", "28.eg", "4.3.3", 
        "naN", "InFiNiTy",
        NULL,
    };

    double const EPS = 1e-8;
    double f, f_std;
    char const *endp;
    char *endp_std;
    for (int i = 0; tests[i] != NULL; i++) {
        f = str_to_d(tests[i], &endp);
        f_std = strtod(tests[i], &endp_std);
        int num_equal = fabs(f - f_std) < EPS;
        int rest_equal = endp == endp_std;

        if (!num_equal || !rest_equal) {
            printf("[%s] %f : %f (rest: %s : %s), (%d, %d)\n",
                    tests[i], f, f_std, endp, endp_std, num_equal, rest_equal);
        }
    }

    return 0;
}

Comments

[kamecha]

有り難うございます。
少しのミスが積み重なり、エラー多発になってしまうと言うことを身をもって実感しました。
とても分かりやすく為になりました！
printfデバッグ...これから使っていきます。

Answer 2

strtol関数は、strtoi関数との違いさえ分かりません。

long版とint版の違いですね。整数型といってもlongとintは明確に違う型として認識されるので、分ける必要があります。処理系によっては、intは32bitでlongは64bit、のように扱える数値が変わってきます。

書籍の問題のルールは、他の標準関数を使わないで書くことでしょうか。だとしても、ソースコードはちょっと処理が大げさすぎですね。おそらく出題者はもっと簡単に書くことを意図していると思います。

ヒントです。

• "12345"

(((((0) * 10 + 1) * 10 + 2) * 10 + 3) * 10 + 4) * 10 + 5

• "123.45"

((((((0) * 10 + 1) * 10 + 2) * 10 + 3) * 10 + 4) * 10 + 5) / 10 / 10

• "1.23e4"

(((((0) * 10 + 1) * 10 + 2) * 10 + 3) / 10 / 10 * 10 * 10 * 10 * 10

power関数など作らずとも、一つ一つ文字を取り出してあーしてこーすればできそうな気がしませんか？

---

補足です。
「ライブラリ関数と同じ動作」をするには、符号(+-)の処理も必要ですね。一手間かけて符号の処理も入れましょう。

Comments

[kamecha]

有り難うございます。
本の３周目の際に、そのような細かな所も視野にいれていきます。

Answer 3

とりあえず由来は、「man 関数名」で出てきます。
atoi -- convert ASCII string to integer
atol -- convert ASCII string to long
atof -- convert ASCII string to double(float)

Comments

[kamecha]

有り難うございます！
これから分からなくなった時、調べます。

Answer 4

下記サイトが、ライブラリについては詳しく説明してあります。
例えば、atoi()はどのような文字列を受け付けるか？・・・とか
ライブラリー関数 IBM
「ヒント」

long stol(const char * str)
{
    long ret= 0;

    while(*str){
        ret *= 10;
        ret += *str - '0';
        str++;
    }

    return ret;
}

Comments

[kamecha]

有り難うございます。

[cateye]

皆さんの回答に符号（＋、ー）について記述が無いのですが・・・？
符号については、情報として持っておいて、すべて自然数で算出し負の時は符号を反転するのが確実です。

[kamecha]

なるほど、符号は考えていませんでした。
long型に対応するためには、関数内の変数をlong型で宣言してやれば良いのですね！

Answer 5

文字列を数値に変換する方法としては、ato*()やstrto*()関数以外に、sscanf()関数を用いる方法があります。

int strtoi(const char *nptr)
{
	int n;

	if (sscanf(nptr, "%d", &n) != 1){
		return 0;
	}

	return n;
}

Comments

[kamecha]

有り難うございます。
sscanf()関数...知らなかったので、しっかりと抑えていきます