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什么是 C 和 C++ 标准库?

2018-04-12 23:21 计蒜客

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。


至今,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,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!


摘自开源中国

译者 Tocy, Tot_ziens, 雪落无痕xdj, 琪花亿草, 周其

英文原文:What are the C and C++ Standard Libraries?

 
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