什么是 C 和 C ++ 标准库?

源 / 开源中国

简要介绍编写C/C ++应用程序的领域,标准库的作用以及它是如何在各种操作系统中实现的。

我已经接触C++一段时间了,一开始就让我感到疑惑的是其内部结构:我所使用的内核函数和类从何而来? 谁发明了它们? 他们是打包在我系统中的某个地方吗? 是否存在一份官方的C ++手册?

在本文中,我将通过从C和C ++语言的本质到实际实现来尝试回答这些问题。

C和C++是如何制订的

当我们谈论C和C++时,实际上是指一组定义(程序)语言应该做些什么,如何表现,应该提供哪些功能的规则。C/C++的编译器为了处理C/C++编写的源代码必须跟随着这些规则,并生成二进制应用程序。听起来非常接近于HTML:浏览器遵循着一组指令,所以它们可以以明确的方式来渲染网页。

与HTML一样,C和C++的规则都是理论上的。国际标准化组织(ISO)的一大群人每年都会聚集几次来讨论和定义语言规则。没错,C和C++是标准化的东西。他们最终都会得到一本官方的叫标准的书,你可以从他们的网站中购买。随着语言的发展新的papers(指官方的叫标准的书)会被发布,每一次都定义一个新的标准。这就是为什么我们会有不同的C和C++版本的原因:C99, C11, C++03, C++11, C++14等等,数字与出版/发布年份相符。

这些标准都市非常详细和有技术新的文档:我不会把它们当作手册。通常会分为两部分:

1.C/C++的功能和特性;

2.C/C++的API--开发人员可以用于他们的C/C++程序的一个类、函数和宏的集合。它也被称为标准库。

例如,这里有个来自于C标准库第一部分的摘选,它定义了main函数的结构:

1.main的定义,程序启动时调用的函数。

这是另外一个来自与同样标准的摘录,描述了CAPI的成员--fmin函数:

2.在math.h偷文件中定义min函数。

如你所见,几乎没涉及到代码。有人必须阅读标准并将其转换成计算机可以消化的东西。这是工作于编译器和(功能)实现上人们所做的:前者是一种可以读取和处理C和c++源文件的工具,后者将标准库转换为代码。我们来深入了解一下。

C标准库

C标准库也称为ISO C库,是用于完成诸如输入/输出处理、字符串处理、内存管理、数学计算和许多其他操作系统服务等任务的宏、类型和函数的集合。它是在C标准中(例如C11标准)中定义的。其内容分布在不同的头文件中,比如上面我所提到的math.h。

C++标准库

和C标准库的概念类似,但仅针对C ++。C++标准库是一组C++模板类,它提供了通用的编程数据结构和函数,如链表、堆、数组、算法、迭代器和任何其他你可以想到的C++组件。C ++标准库也包含了C标准库,并在C++标准中进行了定义(例如C++ 11标准)。

实现C/C++标准库

我们从这里开始讨论真正的代码了。从事于标准库实现的开发者阅读官方的ISO规范并将其转化为代码。他们必须依赖其操作系统所提供的功能(读/写文件,分配内存,创建线程,......所有这些被称为系统调用),因此每个平台都有其自己的标准库实现。 有时它是系统内核的一部分,有时它是作为一个附加组件 - 编译器 - 必须单独下载。

GNU/Linux版实现

GNU C库,也称为glibc, 是C标准库的GNU项目实现。并非所有的标准C函数都可以在glibc中找到:大多数数学函数实际上是在libm库中实现的,这是一个独立的库。

截至今天,glibc是Linux上使用最广泛的C库。 然而,在90年代期间,有一段时间里,glibc有一个竞争对手称为Linux libc(或者简称libc),它是由glibc 1.x的一个分支产生的。在一段时间里,Linux libc是许多Linux发行版中的标准C库。

经过多年的发展,glibc竟然比Linux libc更具优势,并且所有使用它的Linux发行版都切换回了glibc。所以,如果你在你的磁盘中找到一个名为libc.so.6的文件,请不要担心:它是现代版的glibc。为了避免与之前的Linux libc版本混淆,版本号增加到了6(他们无法将其命名为glibc.so.6:所有Linux库都必须以lib前缀打头)。

另一方面,C++标准库的实现位于libstdc++或GNU标准C++库中。这是一个正在进行的在GNU/Linux上实现标准C++库的项目。一般来说,所有常规的Linux发行版都默认使用libstdc++。

Mac和iOS版实现

在Mac和iOS上,C标准库的实现是libSystem的一部分,libSystem是位于/usr/lib/libSystem.dylib中的核心库。LibSystem包含其他组件,如数学库、线程库和其他底层实用程序。

关于C++标准库,在OS X Mavericks(V10.9)之前的Mac上,libstdc++是默认选项。这在现代的基于Linux的系统上可以找到的同样的实现。自OS X Mavericks开始,Apple切换到使用libc++,这是LLVM项目——Mac官方编译器框架——所引入的GNU libstdc++标准库的替代。

IOS开发者可以使用iOS SDK(软件开发工具包)来访问标准库,它是一系列允许创建移动应用程序的工具。

Windows版实现

在Windows上,标准库的实现一直严格限定在Visual Studio中,它是微软官方的编译器。他们通常称之为C/C++运行时库(CRT),并且它涵盖了c/c++二者的实现。

在最开始,CRT被实现为CRTDLL.DLL库(我猜,当时没有可用的C++标准库)。从Windows 95开始,Microsoft开始将其迁移到MSVCRT [版本号] .DLL(MSVCR20.DLL,MSVCR70.DLL等)之上,据推测也包含C++标准库。在1997年左近,他们决定将文件名简化为MSVCRT.DLL,这不幸导致了令人讨厌的DLL混乱。这就是为什么从Visual Studio 7.0版开始,他们切换回每个版本使用单独的DLL了。

Visual Studio 2015引入了深度的CRT重构。C/C ++标准库的实现迁移到一个新库,Universal C运行时库 (Universal CRT或UCRT),编译为UCRTBASE.DLL。 UCRT目前已经成为Windows组之一,从Windows 10开始作为操作系统的一部分提供。

Android版实现

Bionic是Google为其Android操作系统所编写的C标准库实现,它直接在底层使用。 第三方开发者可以通过Android原生开发工具包(NDK)访问Bionic,该工具集允许你使用C和C++代码编写Android应用程序。

在 C++ 端, NDK提供了很多版本的实现:

  • libc++,从从Lollipop开始的官方安卓系统和现代Mac操作系统都将其作为C++标准库使用。从NDK发布17版本开始,它将成为NDK中唯一可用的C++标准库实现;
  • gnustl,libstdc++的别名,这两者在GNU/linux是同一个库。这个库的已被弃用,它将在NDK发布18中删除;
  • STLport,由STLport项目编写的C++标准库的第三方实现,自2008年以来一直处于不活跃状态。与gnustl一样,STLport将在NDK发布18中移除。

我能使用不同版本的实现代码来替代默认实现吗?

如果你正在使用资源非常有限的系统,则通常需要引用C标准库的不同实现。比如,uClibc-ng, musl libc和diet libc等等,所有这些都适用于嵌入式Linux系统的开发,提供更小的二进制文件和更少的内存占用。

C++标准库也有不同的实现版本:Apache C++标准库,uSTL以及EASTL等等。后面两个实际上仅关注模板部分,而不是完整的库,并且他们是在速度优先的情况下开发的。Apache版本的库注重的是可移植性。 如果我们脱离了标准库怎么办?

不使用标准库很简单:只要在你的程序中不引入它们的任何一个头文件,你的工作就完成了。然而,为了让这个操作更有意义一些,你需要通过一些提供的系统调用使用某种方法与操作系统互动。就像我之前说的,这就是标准库中的函数/方法在底层实现的时候所使用的。很可能你也会不得不调用这些方法来与硬件设备交互。

如果对你来说这听起来很让人激动,有些人已经开始在网上尝试在不导入标准库的情况下创建工作流程。因为你依赖于一个特定操作系统所提供的函数,这种方式会丧失可移植性。然而通过使用这种艰难的方式,肯会让你学到更多,而且让你更好的理解当你所做的事情,即使是在使用高级库的时候。

除了知识,当你在嵌入式操作系统上面工作的时候你不会想去引入标准库:因为代码不需要移植,在有限的内存中每个字节都很重要,这会让你更加精准的写代码。另一个使用背景就是demoscene,在这里人们尽量有限的程序的二进制大小中去保留高质量的音视频——4K仍然不是最小值:一些demoparties使用1K,256字节,64字节或者甚至32字节来竞争。在那里不允许使用标准库!

-END-

转载声明:本文转载自「开源中国」

原文发布于微信公众号 - 顶级程序员(TopCoding)

原文发表时间:2018-05-11

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