31.程序员应如何理解标准库

记得当年在学了C/C++语言后一直有这样的疑惑，常用的printf函数以及C++中的cout函数到底是在哪里实现的？

相信不止我有这个疑问，这篇文章就来回答这个问题。

C/C++语言是怎样实现的

详细有的同学一定觉得编程语言是十分神秘的，实际上不是这样的。

一门编程语言的本质是什么？

本质上一门语言不过就是一堆规则(rules)而已，就像汉语中的主谓宾一样，就像

  • if之后必须是一个括号()，这个括号中必须是一个bool表达式
  • while之后必须是一个括号()，这个括号中必须是一个bool表达式
  • continue语言必须出现在while语句中
  • 等等

有的同学可能会问，为什么一定要有这堆规则呢，原来，只有有了规则之后编译器才能知道该怎么处理我们写的程序。

编译器在遇到if后就知道，接下来紧跟的一定是一个左括号，之后一定是一个bool表达式，再之后一定是一个右括号。

如果我们写的程序不满足这样的规则，结果就是编译器开始抱怨编译错误(compile error)。

让我们回到主题，实际上C/C++以及任何一门编程语言都是这样的一堆规则，对于C/C++来说，每年都有一群来自被称为International Organization for Standardization (ISO)组织的人来制定C/C++语言的规则，因此这群人坐下来讨论的这堆规则实际上就是一个标准，每一次讨论都会重新修改制定新的标准并对外发布，这就是为什么C/C++有各种版本： C99, C11, C++03, C++11, C++14等等，其中的数字其实就是来自指定标准的年份。

对外发布的标准中包含两部分内容：

  1. C/C++支持哪些特性
  2. C/C++API，程序员可以在他们的C/C++程序中直接调用这些API，这些API就被称为标准库 (Standard Library)

注意发布的标准中只定义了API，但是并不包括实现，肯定有同学会问，那么是谁来实现标准中定义的API呢？

C/C++标准库的实现

至此，我们终于可以开始讨论标准库的实现问题了，实际上专门有一群人负责来根据发布的API来实现标准库，程序员在实现除了一些比如数学计算之外，像文件读写、内存分配、线程创建等等相关的API的实现，这些程序员必须借助相应操作系统提供的功能，那么这些程序是怎样使用操作系统提供的功能的呢？答案就是借助系统调用(System Call)，注意很多同学可能意识这一点，但是这一点相当重要，那就是我们所写的代码有很多是需要依赖操作系统的，操作系统其实提供了很多功能，程序员使用这些功能的方式其实就是借助系统调用(关于系统调用，博主在《操作系统：以程序员的角度》中有详细的讲解)。

因此我们知道，其实每一个平台(操作系统)上都有自己特定的标准库实现，因为不同的操作系统提供的功能是不同的，提供的系统调用也是不同的。

现在我们就可以回答最开始提出的问题了，原来printf和cout等等的代码是实现在标准库中，那么这些标准库在哪里呢，我们的程序又是怎么用到标准库的呢？ 标准库在哪里？怎样使用？让我们用C语言写一个简单的Hello World程序：

  1. #include <stdio.h>
  2. int main() {
  3.    printf("hello world\n");
  4.    return 0;                                    
  5. }

然后编译、执行：

  1. $ gcc helloworld.c -o hw
  2. $ ./hw
  3. hello world

我们可以看到程序正确运行了，但是问题来了，既然我们已经知道了printf其实是实现在了标准库中，那么这个过程中哪里涉及到标准库了？

要回答这个问题，我们需要知道编译可执行程序中的一个过程：链接，关于链接博主在《彻底理解链接器》系列文章中有详解的讲解。简单来说，链接的作用就是把程序依赖的各个库打包起来。要想看到可执行程序依赖哪些库，我们借助一个叫ldd的工具：

  1. $ ldd hw
  2.        linux-vdso.so.1 => (0x00007ffe075d3000)
  3.        libc.so.6 => /usr/lib64/libc.so.6 (0x00007fcd58b75000)
  4.        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x000055c5dbea4000)

我们注意到可执行程序hw依赖一个叫做libc.so.6的库，位于/usr/lib64/libc.so.6，这个libc.so.6就是我们苦苦寻找的标准库。

Linux中以.so结尾的文件被称为动态链接库，难怪我们看不到标准库的实现，原来都被实现好打包到了动态链接库中了，关于动态链接库详见《彻底理解链接器》中第三篇。

现在我们知道了标准库是什么，在哪里，有的同学可能会问，那么我们是怎么用标准库的呢？

原来，编译器gcc在编译程序是默认情况下就自动链接了标准库，因为大家写程序免不了使用标准库提供的API，因此gcc等编译器自动把标准库打包到了可执行程序了。

现在你应该明白了吧。

接下来我们就看看各个平台下标准库的实现。

Linux标准库实现

Linux下标准库的实现被称为GNU C Library，也被称为glibc，这个名字肯定有同学听过。

glibc是Linux平台中使用最为广泛的，然而有一段时间Linux发行版中的标准库多使用Libc，在经过了数年的开发后glibc又开始优于了Libc，Linux发行版又开始转回了glibc，现在在Linux发行版上你会看到磁盘上有一个libc.so.6的文件，这个文件其实就是现代版的glibc，只不过名字遵从了Linux发行版的习惯。

关于C++的标准库实现在了 libstdc++，你在Linux平台中使用ldd工具就能看到这个标准库。

Windows标准库实现

Windows标准库实现是和微软的官方编译器Visual Studio绑定在一起的，该标准库曾被称为C/C++ Run-time Library (CRT)

从Windows95开始，微软以MSVCRT+版本号.DLL的命名实行来发布，到了1997年，将其简化为了MSVCRT.DLL。

从Visual Studio 2015之后，Windows中C/C++标准库被称为了Universal C Runtime Library (Universal CRT，简称UCRT)，即UCRTBASE.DLL，此后Windows标准库开始同Win10一起发布。

总结

一个看似简单的问题实际上往往并不那么简单，在这篇文章中，我们从一个简单的问题开始不断挖掘背后涉及到的方方面面，希望这篇文章能帮你彻底理解标准库。