從本質到實現，談談什么是C和C++標準庫？

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簡要介紹編寫C/C ++應用程序的領域，標準庫的作用以及它是如何在各種操作系統中實現的。

我已經接觸C++一段時間了，一開始就讓我感到疑惑的是其內部結構：我所使用的內核函數和類從何而來？誰發明了它們？他們是打包在我系統中的某個地方嗎？是否存在一份官方的C ++手冊？

在本文中，我將通過從C和C ++語言的本質到實際實現來嘗試回答這些問題。

當我們談論C和C++時，實際上是指一組定義（程序）語言應該做些什么，如何表現，應該提供哪些功能的規則。C/C++的編譯器為了處理C/C++編寫的源代碼必須跟隨著這些規則，并生成二進制應用程序。聽起來非常接近于HTML:瀏覽器遵循著一組指令，所以它們可以以明確的方式來渲染網頁。

與HTML一樣，C和C++的規則都是理論上的。國際標準化組織(ISO)的一大群人每年都會聚集幾次來討論和定義語言規則。沒錯，C和C++是標準化的東西。他們最終都會得到一本官方的叫標準的書，你可以從他們的網站中購買。

隨著語言的發展新的papers（指官方的叫標準的書）會被發布，每一次都定義一個新的標準。這就是為什么我們會有不同的C和C++版本的原因：C99, C11, C++03, C++11, C++14等等，數字與出版/發布年份相符。

這些標準都市非常詳細和有技術新的文檔：我不會把它們當作手冊。通常會分為兩部分：

1.C/C++的功能和特性；

2.C/C++的API--開發人員可以用于他們的C/C++程序的一個類、函數和宏的集合。它也被稱為標準庫。

例如，這里有個來自于C標準庫第一部分的摘選，它定義了main函數的結構：

1.main的定義，程序啟動時調用的函數。

這是另外一個來自與同樣標準的摘錄，描述了CAPI的成員--fmin函數：

2.在math.h偷文件中定義min函數。

如你所見，幾乎沒涉及到代碼。有人必須閱讀標準并將其轉換成計算機可以消化的東西。這是工作于編譯器和（功能）實現上人們所做的：前者是一種可以讀取和處理C和c++源文件的工具，后者將標準庫轉換為代碼。我們來深入了解一下。

C標準庫也稱為ISO C庫，是用于完成諸如輸入/輸出處理、字符串處理、內存管理、數學計算和許多其他操作系統服務等任務的宏、類型和函數的集合。它是在C標準中（例如C11標準）中定義的。其內容分布在不同的頭文件中，比如上面我所提到的math.h。

和C標準庫的概念類似，但僅針對C ++。C++標準庫是一組C++模板類，它提供了通用的編程數據結構和函數，如鏈表、堆、數組、算法、迭代器和任何其他你可以想到的C++組件。C ++標準庫也包含了C標準庫，并在C++標準中進行了定義（例如C++ 11標準）。

我們從這里開始討論真正的代碼了。從事于標準庫實現的開發者閱讀官方的ISO規范并將其轉化為代碼。他們必須依賴其操作系統所提供的功能（讀/寫文件，分配內存，創建線程，......所有這些被稱為系統調用），因此每個平臺都有其自己的標準庫實現。有時它是系統內核的一部分，有時它是作為一個附加組件 - 編譯器 - 必須單獨下載。

GNU C庫，也稱為glibc, 是C標準庫的GNU項目實現。并非所有的標準C函數都可以在glibc中找到：大多數數學函數實際上是在libm庫中實現的，這是一個獨立的庫。

截至今天，glibc是Linux上使用最廣泛的C庫。然而，在90年代期間，有一段時間里，glibc有一個競爭對手稱為Linux libc（或者簡稱libc），它是由glibc 1.x的一個分支產生的。在一段時間里，Linux libc是許多Linux發行版中的標準C庫。

經過多年的發展，glibc竟然比Linux libc更具優勢，并且所有使用它的Linux發行版都切換回了glibc。所以，如果你在你的磁盤中找到一個名為libc.so.6的文件，請不要擔心：它是現代版的glibc。為了避免與之前的Linux libc版本混淆，版本號增加到了6（他們無法將其命名為glibc.so.6：所有Linux庫都必須以lib前綴打頭）。

另一方面，C++標準庫的實現位于libstdc++或GNU標準C++庫中。這是一個正在進行的在GNU/Linux上實現標準C++庫的項目。一般來說，所有常規的Linux發行版都默認使用libstdc++。

在Mac和iOS上，C標準庫的實現是libSystem的一部分，libSystem是位于/usr/lib/libSystem.dylib中的核心庫。LibSystem包含其他組件，如數學庫、線程庫和其他底層實用程序。

關于C++標準庫，在OS X Mavericks（V10.9）之前的Mac上，libstdc++是默認選項。這在現代的基于Linux的系統上可以找到的同樣的實現。自OS X Mavericks開始，Apple切換到使用libc++，這是LLVM項目——Mac官方編譯器框架——所引入的GNU libstdc++標準庫的替代。

IOS開發者可以使用iOS SDK（軟件開發工具包）來訪問標準庫，它是一系列允許創建移動應用程序的工具。

在Windows上，標準庫的實現一直嚴格限定在Visual Studio中，它是微軟官方的編譯器。他們通常稱之為C/C++運行時庫（CRT），并且它涵蓋了c/c++二者的實現。

在最開始，CRT被實現為CRTDLL.DLL庫（我猜，當時沒有可用的C++標準庫）。從Windows 95開始，Microsoft開始將其遷移到MSVCRT [版本號] .DLL（MSVCR20.DLL，MSVCR70.DLL等）之上，據推測也包含C++標準庫。

在1997年左近，他們決定將文件名簡化為MSVCRT.DLL，這不幸導致了令人討厭的DLL混亂。這就是為什么從Visual Studio 7.0版開始，他們切換回每個版本使用單獨的DLL了。

Visual Studio 2015引入了深度的CRT重構。C/C ++標準庫的實現遷移到一個新庫，Universal C運行時庫 (Universal CRT或UCRT)，編譯為UCRTBASE.DLL。UCRT目前已經成為Windows組之一，從Windows 10開始作為操作系統的一部分提供。

Bionic是Google為其Android操作系統所編寫的C標準庫實現，它直接在底層使用。第三方開發者可以通過Android原生開發工具包（NDK）訪問Bionic，該工具集允許你使用C和C++代碼編寫Android應用程序。

在 C++ 端, NDK提供了很多版本的實現：

• libc++，從從Lollipop開始的官方安卓系統和現代Mac操作系統都將其作為C++標準庫使用。從NDK發布17版本開始，它將成為NDK中唯一可用的C++標準庫實現；

• gnustl，libstdc++的別名，這兩者在GNU/linux是同一個庫。這個庫的已被棄用，它將在NDK發布18中刪除；

• STLport，由STLport項目編寫的C++標準庫的第三方實現，自2008年以來一直處于不活躍狀態。與gnustl一樣，STLport將在NDK發布18中移除。

如果你正在使用資源非常有限的系統，則通常需要引用C標準庫的不同實現。比如，uClibc-ng,?musl libc和diet libc等等，所有這些都適用于嵌入式Linux系統的開發，提供更小的二進制文件和更少的內存占用。

C++標準庫也有不同的實現版本：Apache C++標準庫，uSTL以及EASTL等等。后面兩個實際上僅關注模板部分，而不是完整的庫，并且他們是在速度優先的情況下開發的。Apache版本的庫注重的是可移植性。

不使用標準庫很簡單：只要在你的程序中不引入它們的任何一個頭文件，你的工作就完成了。然而，為了讓這個操作更有意義一些，你需要通過一些提供的系統調用使用某種方法與操作系統互動。

就像我之前說的，這就是標準庫中的函數/方法在底層實現的時候所使用的。很可能你也會不得不調用這些方法來與硬件設備交互。

如果對你來說這聽起來很讓人激動，有些人已經開始在網上嘗試在不導入標準庫的情況下創建工作流程。因為你依賴于一個特定操作系統所提供的函數，這種方式會喪失可移植性。然而通過使用這種艱難的方式，肯會讓你學到更多，而且讓你更好的理解當你所做的事情，即使是在使用高級庫的時候。

除了知識，當你在嵌入式操作系統上面工作的時候你不會想去引入標準庫：因為代碼不需要移植，在有限的內存中每個字節都很重要，這會讓你更加精準的寫代碼。

另一個使用背景就是demoscene，在這里人們盡量有限的程序的二進制大小中去保留高質量的音視頻——4K仍然不是最小值：一些demoparties使用1K，256字節，64字節或者甚至32字節來競爭。在那里不允許使用標準庫！

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你好，我是飛宇，本碩均于某中流985 CS就讀，先后于百度搜索以及字節跳動電商等部門擔任Linux C/C++后端研發工程師。
同時，我也是知乎博主@韓飛宇，日常分享C/C++、計算機學習經驗、工作體會，歡迎點擊此處查看我以前的學習筆記&經驗&分享的資源。
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