【经典面试题】请使用C语言编程实现对IPV4地址的合法性判断

嵌入式物联网开发 2023-05-16 1133

描述

**C语言编程实现对IPV4地址的合法性判断**

> 有了解过我的朋友，可能有点印象，我在N年前的博客中，就写了这个主题，当时确实是工作中遇到了这个问题。本想着等工作搞完之后，就把这个问题的解决代码补上，结果一鸽，就是好几年，真是惭愧。现在把这部分代码公开，欢迎大家来下载测试。

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# 1 写在前面

有了解过我的朋友，可能有点印象，我在N年前的博客中，就写了这个主题，当时确实是工作中遇到了这个问题。本想着等工作搞完之后，就把这个问题的解决代码补上，结果一鸽，就是好几年，真是惭愧。现在把这部分代码公开，欢迎大家来下载测试。

如果你发现代码有问题，欢迎与我私信联系。

# 2 需求分析

其实，本专题的需求很简单，就是输入一段字符串，判断它是不是合法的IPv4地址。仅仅从功能上看，似乎很简单，但是真正要做到很完美，也是需要下点功夫的。不信，你看看下文的拆解。

![IPV4 的图像结果](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/994e3109304e34a6bbd59db8247d37c6.jpeg)

# 3 简单版本

我们先上一个简单版本，直接看代码：

```c
#include
#include
#include
#include

int is_valid_ipv4(const char *ip_address)
{
int num, dots = 0;
char *ptr;

if (ip_address == NULL) {
return 0;
}

ptr = strtok((char *)ip_address, ".");
if (ptr == NULL) {
return 0;
}

while (ptr) {
if (!isdigit(*ptr)) {
return 0;
}

num = atoi(ptr);
if (num < 0 || num > 255) {
return 0;
}

ptr = strtok(NULL, ".");
if (ptr != NULL) {
dots++;
}
}

if (dots != 3) {
return 0;
}

return 1;
}

int check_is_valid_ipv4(const char *ip)
{
int ret = 0;

ret = is_valid_ipv4(ip);

return ret;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
const char *ip = argv[1];

printf("check %sn", ip);
printf("ret %dn", check_is_valid_ipv4(ip));
}
```

编译运行一下，输入一个常见的ipv4地址是没有问题，比如 "192.168.0.1"；同时，非法的字符输入也是会报错的。

```c
~/ipv4]$gcc -o test ipv4.c
~/ipv4]$./test 192.168.0.1
check 192.168.0.1
ret 1
~/ipv4]$./test
check 192.168.w.2
ret 0
```

但是，如果我加一个限制：如何判断一个IPV4地址是一个合法的 **主机地址** 呢？

比如这个：“238.171.84.41”，它的判断还是合法的哦，实际上这不是合法的 **主机地址** 。

```c
~/ipv4]$./test 238.171.84.41
check 238.171.84.41
ret 1
```

另外一个，上面的代码还检测不到，诸如此类的输入：“0192.168.1.1”

```c
~/ipv4]$./test 0192.168.1.1
check 0192.168.1.1
ret 1
```

所以，我们需要优化一下。

# 4 进阶一下

正如上面的分析，我们需要对代码进行优化：

首先得判断按照 "." 分割后的数字段，不能以 "0" 字符开头。

```c
while (ptr) {
if (!isdigit(*ptr)) {
return 0;
}

if (*ptr == '0') { //check start with '0'
return 0;
}

num = atoi(ptr);
if (num < 0 || num > 255) {
return 0;
}

ptr = strtok(NULL, ".");
if (ptr != NULL) {
dots++;
}
}

~/ipv4]$./test 0192.168.1.1
check 0192.168.1.1
ret 0
```

根据IPv4地址的分类：

- A类：(1.0.0.1-126.255.255.254)（默认子网掩码：255.0.0.0或0xFF000000）第一个字节为网络号，后三个字节为主机号，表示为网络--主机--主机--主机。该类IP地址的最前面为“0”，所以地址的网络号取值于1~126之间。共有16777214个主机地址，一般用于大型网络。

- B类：(128.1.0.1-191.254.255.254)（默认子网掩码：255.255.0.0或0xFFFF0000）前两个字节为网络号，后两个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“10”，所以地址的网络号取值于128~191之间。共有65534个主机地址，一般用于中等规模网络。

- C类：(192.0.1.1-223.255.254.254)（子网掩码：255.255.255.0或0xFFFFFF00）前三个字节为网络号，最后一个字节为主机号。该类IP地址的最前面为“110”，所以地址的网络号取值于192~223之间。共有254个主机地址，一般用于小型网络。

- D类：是多播地址。(224.0.0.1-239.255.255.254) 该类IP地址的前面4位为“1110”，所以网络号取值于224~239之间；后面28位为组播地址ID。这是一个专门保留的地址。它并不指向特定的网络，目前这一类地址被用在多点广播（Multicasting）中。多点广播地址用来一次寻址一组计算机，它标识共享同一协议的一组计算机。

- E类：是保留地址，为将来使用保留。(240.0.0.0---255.255.255.254) 该类IP地址的最前面为“1111”，所以网络号取值于240~255之间。

可知，如果要符合一个正常的IPv4主机地址，只能是A、B、C类，而不能是D、E类。

所以在判断时，我们应该增加IPv4地址的类别判断。

在上面的判断返回前，增加一个判断：

```c
if (atoi(ip_address) >= 1 && atoi(ip_address) <= 126) {
printf("This is a Class A IP address.n");
return 1;
} else if (atoi(ip_address) >= 128 && atoi(ip_address) <= 191) {
printf("This is a Class B IP address.n");
return 1;
} else if (atoi(ip_address) >= 192 && atoi(ip_address) <= 223) {
printf("This is a Class C IP address.n");
return 1;
} else {
printf("This is not a Class A, B, or C IP address.n");
return 0;
}
```

完整的代码如下：

```c
#include
#include
#include
#include

int is_valid_ipv4(const char *ip_address)
{
int num, dots = 0;
char *ptr;

if (ip_address == NULL) {
return 0;
}

ptr = strtok((char *)ip_address, ".");
if (ptr == NULL) {
return 0;
}

while (ptr) {
if (!isdigit(*ptr)) {
return 0;
}

if (*ptr == '0') { //check start '0'
return 0;
}

num = atoi(ptr);
if (num < 0 || num > 255) {
return 0;
}

ptr = strtok(NULL, ".");
if (ptr != NULL) {
dots++;
}
}

if (dots != 3) {
return 0;
}

if (atoi(ip_address) >= 1 && atoi(ip_address) <= 126) {
printf("This is a Class A IP address.n");
return 1;
} else if (atoi(ip_address) >= 128 && atoi(ip_address) <= 191) {
printf("This is a Class B IP address.n");
return 1;
} else if (atoi(ip_address) >= 192 && atoi(ip_address) <= 223) {
printf("This is a Class C IP address.n");
return 1;
} else {
printf("This is not a Class A, B, or C IP address.n");
return 0;
}

return 1;
}

int check_is_valid_ipv4(const char *ip)
{
int ret = 0;

ret = is_valid_ipv4(ip);

return ret;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
const char *ip = argv[1];

printf("check %sn", ip);
printf("ret %dn", check_is_valid_ipv4(ip));
}
```

这个时候，我们再试一下之前的非A/B/C类的IPv4地址：

```c
~/ipv4]$./test 238.171.84.41
check 238.171.84.41
This is not a Class A, B, or C IP address.
ret 0

~/ipv4]$./test 192.168.2.3
check 192.168.2.3
This is a Class C IP address.
ret 1
```

至此，基本得到了比较完美的判断，但有没有漏洞呢？留给读者自己去思考吧。

# 5 高阶版本

有经验的程序一定会发现，上面的各个判断真的号麻烦啊！

每个case都需要这样去比较判断，那得多费劲啊！

有没有更加清爽一点的高阶方法啊？

答案当然是有的，这个时候你就需要了解一下：**正则表达式** 了。

很多主流的编程语言都有标准库来支持正则表达式，那么C语言里面有没有呢？

其实C语言里面也是可以用正则表达式的，这个先留个悬念，且听下回分解。

欢迎打击提前预习下：[正则表达式语言 - 快速参考 | Microsoft Learn](https://learn.microsoft.com/zh-cn/dotnet/standard/base-types/regular-expression-language-quick-reference)

# 6 完整测试用例

本小节给大家补充一下各种测试用例，希望对大家测试代码有帮助：

```c
合法的测试输入
192.168.0.1
10.0.0.1
172.16.0.1
255.255.255.255

非法的测试输入
256.0.0.1
192.168.0.0.1
192.168.0
192.168.0.1.2

非法的测试输入
256.0.0.1
192.168.0.0.1
192.168.0
192.168.0.1.2
300.300.300.300
1.2.3
1.2.3.4.5
1.2.3.4.
.1.2.3.4
1..2.3.4
```

测试用例是不断丰富的，欢迎大家来补充。

审核编辑黄宇

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