本文简要介绍编写 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 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！