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【译】什么是C/C++标准库

原文:https://www.internalpointers.com/post/c-c-standard-library on Apr 9, 2018 by TRIANGLES

译者序:这篇文章介绍了C/C++标准库在标准中的说明及各平台的实现,作者查阅了很多资料,对梳理标准库概念有所帮助,最后一段还提到一个有意思的比赛 : )

引言:本文简要介绍了C/C++开发领域中标准库所扮演的角色,以及标准库在各操作系统中是如何实现的。

使用C++有一段时间了,一开始经常让我困惑的是其内部原理:我使用的核心函数和类来自哪里?是谁写的?它们打包放在我电脑上什么地方?是否有一份官方手册

本文通过介绍C/C++语言本身到其实现来回答这些问题。

C/C++怎么产生的

平常我们谈论的C/C++其实是指一个规则的集合,它定义了语言该做什么、应该表现成怎样以及提供的功能。C/C++编译器必须遵从这些规则来处理源程序并生成二进制应用程序。这看起来与HTML挺相近:浏览器遵从一组指示符来渲染网页。

与HTML一样,C/C++规则也是理论上的。国际标准化组织(ISO)中有一部分人每年聚集在一块讨论语言的规则并记入文档。是的,C和C++是经过标准化了的。最终他们会编写一本叫标准的官方手册,可以在官网上买到。每次随着语言发展,会出版一本新的标准文档。所以大家会看到不同的C/C++版本:C99, C11, C++03, C++11, C++14等等,其中的数字表示出版年份。

标准是份及其详细的技术文档:反正我不会拿它用于手头使用。标准分两部分:

  1. C/C++特性和功能;
  2. C/C++ API - 即开发者在C/C++程序中使用的一组类、函数和宏,称为标准库

例如,以下摘自C标准第一部分中对main函数的定义:

main
1. 程序开头调用main函数的定义

下面的例子摘自上面同样的文档,对C中某个API的说明 - fmin函数:


2. 头文件math.hfmin函数的定义

可以看到,标准中几乎不会涉及到代码。人们得阅读标准文档,把它转成计算机能消化的东西。这也就是编译器和语言实现的开发者在做的:前者做个工具读入并处理C/C++源代码,后者将标准库转成代码。下面深入看一下。

C标准库

C标准库也叫ISO C库,定义了一组宏、类型和函数,用于输入/输出处理、字符串处理、内存管理、数学计算以及许多与操作系统服务相关的。它们在C标准(如C11标准)中做了规定。内容分布在各个头文件中,比如上面提到的math.h

C++标准库

含义与C标准库相同,不过特定于C++。C++标准库包括一组C++模板,提供了常用的数据结构和函数,例如list, stack, array, algorithm, iterator及其他你可以想到的C++组件。C++标准库也囊括了C标准库,在C++标准(如C++11标准)中规定。

实现C和C++标准库

从这部分开始讨论真实的代码。实现标准库的开发者先阅读官方ISO文档需求,然后把它们转成代码。实现时必须依赖特定操作系统提供的功能(读/写文件,分配内存,创建线程等等,通过所谓的系统调用),因此每个平台都要有自己的一套标准库实现。有时它是系统的一个核心部分,有时由另外的组件(编译器)提供,这个必须另外下载。

GNU/Linux的实现

GNU C库即glibc,是GNU项目对C标准库的实现。并不是所有的标准C函数都能在glibc中找到:大部分数学函数其实由libm实现,它是另外的一个库。

目前glibc是Linux上使用最广泛的C库。不过在90年代有个glibc的竞争者叫Linux libc(或者就叫libc),它fork自glibc 1.x。有段时间内,Linux libc是许多Linux发行版的标准C库。

经过多年的开发,glibc被证明远远优于Linux libc,曾经使用libc的Linux发行版都转成使用glibc了。所以要是你的磁盘上有个文件叫libc.so.6请不要惊慌,它是个现代的glibc。版本号涨到6是为了避免与之前Linux libc的版本混淆(不能把它命名成glibc.so.6,因为所有的Linux库命名都必须以lib开头)。

再来看看C++库,实现于libstdc++,或者叫GNU标准C++库。它是个一直持续着的项目,在GNU/Linux上实现了标准C++库。一般常见的Linux发行版默认使用libstdc++。

Mac和iOS的实现

在Mac和iOS上,C标准库的实现是核心库libSystem的一部分,位于/usr/lib/libSystem.dylib。LibSystem还包括了数学库、线程库及其他底层组件。

至于C++标准库,Mac在OS X Mavericks(10.9 版本)前默认使用libstdc++,与现代Linux系操作系统使用相同的。自OS X Mavericks之后,苹果转而使用libc++,它由Mac官方编译器框架LLVM项目实现,用以替代GNU libstdc++标准库。

iOS开发者通过iOS SDK(Software Development Kit)使用标准库。iOS SDK是一组用于创建移动App的工具集。

Windows的实现

Windows上标准库的实现与微软官方编译器Visual Studio严格绑在一起,称为C/C++运行时库(CRT),它包括了标准库的实现。

最初将CRT实现为CRTDLL.DLL库(我猜那时不含C++标准库)。从Windows 95开始,微软把它实现在MSVCR[版本号].DLL(MSVCR20.DLL, MSVCR70.DLL等)中,猜测也包含了C++标准库。1997年左右,他们决定把文件名简化为MSVCRT.DLL,这不幸导致了臭名昭著的DLL mess。这也就是为什么从Visual Studio 7.0后又转回每个版本搭载DLLs。

Visual Studio 2015对CRT做了大规模重构,C/C++标准库实现在一个新的库,名为统一C运行时库(Universal CRT or UCRT),编译成UCRTBASE.DLL。UCRT目前已成为Windows的组件,从Windows 10开始作为操作系统的一部分。

Android的实现

Bionic是谷歌为其安卓操作系统实现的C库,安卓系统内部直接使用它。第三方开发者可通过Android Native Development Kit (NDK)使用Bionic,NDK是一套工具集,允许开发者使用C和C++编写安卓应用。

C++方面,NDK提供了几种实现:

能用其他实现代替默认的吗?

如果你在一个资源极度受限的系统上做开发,可能你想用个不同的C标准库实现。uClibc-ng, musl libcdiet libc是其中一些,它们面向嵌入式Linux系统的开发,提供了更小的二进制文件和内存使用。

C++标准库也有其他的实现:Apache C++ Standard Library, uSTLEASTL是其中一些,后两个实际上只关注模板部分,并不是整个库,它们考虑的是运行速度。Apache版本聚焦在可移植性。

不用标准库会怎样?

不用标准库很简单:不要在程序中引进任何标准头文件就可以了。不过为了程序执行得有意义,必须或多或少地通过系统调用与操作系统交互。如之前所说,这是标准库中的函数/方法底层实现所用的方式。很可能得调汇编程序与硬件设备交互。

如果你对这些很兴奋,网上一些人则想着不用标准库来创建可用的程序,这样的程序不具可移植性,因为依赖了特定操作系统提供的功能。但这种艰难会让你学到很多,你在使用高层库时将明白程序具体做了什么。

除了学习标准库,在嵌入式系统上工作时你不会想着使用标准库:内存受限,每个字节都要精打细算,所以往往要写很多汇编,反正代码不需要有可移植性。在demoscene上,人们极力地把美妙的音视频塞进大小受限的二进制程序中 - 4K还不是最低界限:有的队伍拿1K、256B、64B甚至32B的参赛。在那可不允许使用标准库!

参考资料

Mac OS X for Unix Geeks - 5.2. The System Library: libSystem (link)
libcxx.llvm.org - “libc++” C++ Standard Library (link)
blogs.msdn.microsoft.com - Windows is not a Microsoft Visual C/C++ Run-Time delivery channel (link)
malsmith.net - A visual history of Visual C++ (link)
docs.microsoft.com - CRT Library Features (link)
MicrosoftDocs @ GitHub - Upgrade your code to the Universal CRT (link)
Stackoverflow - What the role of libc(glibc) in our linux app? (link)
Stackoverflow - Where is the standard C library on Mac OS X? (link)
Stackoverflow - When is it necessary to use use the flag -stdlib=libstdc++? (link)
Stackoverflow - Where is the C/C++ Standard Library in Android and iOS? (link)
Stackoverflow - iOS help: math.h? Where is this? (link)
Stackoverflow - What can you do in C without “std” includes? Are they part of “C,” or just libraries? (link)
developer.android.com - C++ Library Support (link)
Wikipedia - Bionic (link))
Wikipedia - C standard library (link)
Wikipedia - GNU C Library (link)
Wikipedia - Microsoft Windows library files (link)
Wikipedia - Demoscene (link)
android.googlesource.com - NDK Roadmap (link)
Reddit - What is the relationship between gcc, libstdc++, glibc, binutils? (link)
man7.org - LIBC(7) (link)
gnu.org - The GNU C Library (glibc) (link)

(End)