Стандартная библиотека C

Стандартная библиотека C или libc — это стандартная библиотека для языка программирования C , как указано в ISO C. стандарте Начиная с исходного стандарта ANSI C , он был разработан одновременно со спецификацией POSIX библиотеки C , которая является ее расширенной версией. Поскольку ANSI C был принят Международной организацией по стандартизации , Стандартную библиотеку C также называют библиотекой ISO C.

Стандартная библиотека C предоставляет макросы , определения типов и функции для таких задач, как обработка строк , математические вычисления, обработка ввода/вывода, управление памятью и ряд других операционной системы служб .

Интерфейс прикладного программирования (API)

Заголовочные файлы

Интерфейс прикладного программирования (API) стандартной библиотеки C объявлен в ряде заголовочных файлов . Каждый файл заголовка содержит одно или несколько объявлений функций, определений типов данных и макросов.

После длительного периода стабильности появились три новых заголовочных файла ( iso646.h, wchar.h, и wctype.h) были добавлены Нормативным дополнением 1 (NA1), дополнением к стандарту C, ратифицированному в 1995 году. Еще шесть файлов заголовков ( complex.h, fenv.h, inttypes.h, stdbool.h, stdint.h, и tgmath.h) были добавлены вместе с C99 , версией стандарта C, опубликованной в 1999 году, и еще пятью файлами ( stdalign.h, stdatomic.h, stdnoreturn.h, threads.h, и uchar.h) с C11 в 2011 году. Всего теперь существует 29 заголовочных файлов:

Имя	От	Описание
<assert.h>		Объявляет макрос Assert , используемый для обнаружения логических ошибок и других типов ошибок при отладке программы.
<complex.h>	С99	Определяет набор функций для работы с комплексными числами .
<ctype.h>		Определяет набор функций, используемых для классификации символов по их типам или для преобразования верхнего и нижнего регистра способом, независимым от используемого набора символов (обычно ASCII или одно из его расширений, хотя реализации, использующие EBCDIC также известны ).
<errno.h>		Для тестирования кодов ошибок, сообщаемых библиотечными функциями.
<fenv.h>	С99	Определяет набор функций для управления средой с плавающей запятой .
<float.h>		Определяет макроконстанты, определяющие свойства библиотеки с плавающей запятой, зависящие от реализации .
<inttypes.h>	С99	Определяет целочисленные типы точной ширины .
<iso646.h>	NA1	Определяет несколько макросов , которые реализуют альтернативные способы выражения нескольких стандартных токенов. Для программирования в различных наборах символов ISO 646 .
<limits.h>		Определяет макроконстанты, задающие свойства целочисленных типов, зависящие от реализации.
<locale.h>		Определяет функции локализации .
<math.h>		Определяет общие математические функции .
<setjmp.h>		Объявляет макросы setjmp и longjmp, которые используются для нелокальных выходов.
<signal.h>		Определяет функции обработки сигналов .
<stdalign.h>	С11	Для запроса и указания выравнивания объектов.
<stdarg.h>		Для доступа к различному количеству аргументов, передаваемых функциям.
<stdatomic.h>	С11	Для атомарных операций с данными, совместно используемыми между потоками.
<stdbool.h>	С99	Определяет логический тип данных .
<stddef.h>		Определяет несколько полезных типов и макросов .
<stdint.h>	С99	Определяет целочисленные типы точной ширины .
<stdio.h>		Определяет основные функции ввода и вывода.
<stdlib.h>		Определяет функции числового преобразования , функции генерации псевдослучайных чисел , распределение памяти , функции управления процессом.
<stdnoreturn.h>	С11	Для указания невозвратных функций
<string.h>		Определяет функции обработки строк
<tgmath.h>	С99	Определяет общие математические функции .
<threads.h>	С11	Определяет функции для управления несколькими потоками , мьютексами и условными переменными.
<time.h>		Определяет функции обработки даты и времени.
<uchar.h>	С11	Типы и функции для управления Юникода символами
<wchar.h>	NA1	Определяет функции обработки широких строк
<wctype.h>	NA1	Определяет набор функций, используемых для классификации широких символов по их типам или для преобразования верхнего и нижнего регистра.

Три заголовочных файла ( complex.h, stdatomic.h, и threads.h) — это условные функции, которые реализации не обязаны поддерживать.

В стандарт POSIX добавлено несколько нестандартных заголовков C для специфичных для Unix функций. Многие нашли свой путь к другим архитектурам. Примеры включают в себя fcntl.h и unistd.h. Ряд других групп используют другие нестандартные заголовки – в библиотеке GNU C есть alloca.hи OpenVMS имеет va_count() функция.

Документация

В Unix-подобных системах авторитетная документация API предоставляется в виде страниц руководства . В большинстве систем страницы руководства по функциям стандартной библиотеки находятся в разделе 3; раздел 7 может содержать несколько более общих страниц, посвященных основным концепциям (например, man 7 math_error в Linux ).

Реализации

Unix-подобные системы обычно имеют библиотеку C в форме общей библиотеки , но файлы заголовков (и набор инструментов компилятора) могут отсутствовать в установке, поэтому разработка C может оказаться невозможной. Библиотека C считается частью операционной системы Unix-подобных систем; Помимо функций, определенных стандартом C, он включает в себя другие функции, являющиеся частью API операционной системы, например функции, указанные в стандарте POSIX . Функции библиотеки C, включая стандартные функции ISO C, широко используются программами и рассматриваются так, как если бы они были не только реализацией чего-то на языке C, но и де-факто частью интерфейса операционной системы. Unix-подобные операционные системы обычно не могут работать, если библиотека C удалена. Это справедливо для приложений, которые связаны динамически, а не статически. Далее само ядро ​​(по крайней мере, в случае с Linux) работает независимо от каких-либо библиотек.

В Microsoft Windows основные системные динамические библиотеки ( DLL ) предоставляют реализацию стандартной библиотеки C для компилятора Microsoft Visual C++ v6.0; Стандартная библиотека C для более новых версий компилятора Microsoft Visual C++ предоставляется каждым компилятором индивидуально, а также в виде распространяемых пакетов. Скомпилированные приложения, написанные на C, либо статически связываются с библиотекой C, либо связываются с динамической версией библиотеки, которая поставляется с этими приложениями, а не предполагается, что они присутствуют в целевых системах. Функции в библиотеке C компилятора не рассматриваются как интерфейсы к Microsoft Windows.

Существует множество реализаций библиотеки C, поставляемых как с различными операционными системами, так и с компиляторами C. Вот некоторые из популярных реализаций:

• BSD libc , различные реализации, распространяемые с BSD. операционными системами, производными от
• Библиотека GNU C (glibc), используемая в GNU Hurd , GNU/kFreeBSD и Linux.
• Библиотека времени выполнения Microsoft C , часть Microsoft Visual C++ . Существует две версии библиотеки: MSVCRT, которая была распространяемой до версии 12/Visual Studio 2013 с низкой совместимостью с C99, и новая UCRT (Universal C Run Time), которая является частью Windows 10 и 11, поэтому всегда присутствует для ссылки. , а также совместим с C99 [1] .
• Dietlibc , альтернативная небольшая реализация стандартной библиотеки C (без MMU)
• μClibc , стандартная библиотека C для встроенных систем μClinux (без MMU)
  • uclibc-ng , встроенная библиотека C, ответвление μClibc, все еще поддерживается, с модуля управления памятью (MMU). поддержкой
• Newlib — стандартная библиотека C для встраиваемых систем (без MMU). и используется в дистрибутиве Cygwin GNU для Windows.
• klibc , в первую очередь для загрузки систем Linux.
• musl , еще одна облегченная реализация стандартной библиотеки C для систем Linux.
• Bionic , первоначально разработанная Google для встроенной операционной системы Android, производная от BSD libc.
• picolibc , разработанный Кейтом Паккардом , предназначенный для небольших встраиваемых систем с ограниченным объемом оперативной памяти, основанный на коде Newlib и AVR Libc.

Встроенные функции компилятора

Некоторые компиляторы (например, GCC ) предоставляют встроенные версии многих функций стандартной библиотеки C; то есть реализации функций записываются в скомпилированный объектный файл , и программа вызывает встроенные версии вместо функций из общего объектного файла библиотеки C. Это уменьшает накладные расходы на вызовы функций, особенно если вызовы функций заменяются встроенными вариантами, и допускает другие формы оптимизации (поскольку компилятор знает характеристики потока управления встроенных вариантов), но может вызвать путаницу при отладке (например, , встроенные версии не могут быть заменены инструментальными вариантами).

Однако встроенные функции должны вести себя как обычные функции в соответствии с ISO C. Основной смысл заключается в том, что программа должна иметь возможность создавать указатель на эти функции, взяв их адрес, и вызывать функцию с помощью этого указателя. Если два указателя на одну и ту же функцию получены в двух разных единицах перевода в программе, эти два указателя должны сравниваться равными; то есть адрес получается путем разрешения имени функции, которая имеет внешнюю (в масштабе всей программы) связь.

Связывание, libm

Под FreeBSD и глибк, некоторые функции, такие как sin(), не связаны по умолчанию и вместо этого включены в математическую библиотеку libm . Если какой-либо из них используется, компоновщику должна быть присвоена директива -lm. POSIX требует, чтобы компилятор c99 поддерживал -lmи что функции, объявленные в заголовках math.h, complex.h, и fenv.h доступны для связывания, если -lm указан, но не указывает, связаны ли функции по умолчанию. musl удовлетворяет этому требованию, помещая все в одну библиотеку libc и предоставляя пустую библиотеку libm.

Обнаружение

Согласно стандарту C макрос __STDC_HOSTED__ должно быть определено как 1, если реализация размещена. Размещенная реализация имеет все заголовки, определенные стандартом C. Реализация также может быть автономной , что означает отсутствие этих заголовков. Если реализация является автономной , она должна определять __STDC_HOSTED__ до 0 .

Проблемы и обходные пути

Уязвимости переполнения буфера

Некоторые функции стандартной библиотеки C известны своей уязвимостью к переполнению буфера и, как правило, способствуют программированию с ошибками с момента их принятия. Наиболее критикуемые позиции:

• процедуры манипуляции со строками , в том числе strcpy() и strcat(), из-за отсутствия проверки границ и возможного переполнения буфера, если границы не проверяются вручную;
• строковые подпрограммы в целом, для побочных эффектов , поощряющие безответственное использование буфера, не всегда гарантирующие действительный с нулевым завершением , вычисление линейной длины; вывод
• printf() семейство подпрограмм, предназначенных для порчи стека выполнения , когда строка формата не соответствует заданным аргументам. Этот фундаментальный недостаток создал целый класс атак: атаки на форматную строку ;
• gets() и scanf() семейство подпрограмм ввода-вывода из-за отсутствия (любой или простой) проверки длины ввода.

За исключением крайнего случая с gets(), всех уязвимостей безопасности можно избежать, введя вспомогательный код для управления памятью, проверки границ, проверки ввода и т. д. Это часто делается в виде оболочек, которые делают функции стандартной библиотеки более безопасными и простыми в использовании. Это восходит к книге Б. Кернигана и Р. Пайка «Практика программирования» , где авторы обычно используют оболочки, которые выводят сообщения об ошибках и завершают программу в случае возникновения ошибки.

Комитет ISO C опубликовал Технические отчеты TR 24731-1. и работает по ТР 24731-2. предложить принятие некоторых функций с проверкой границ и автоматическим выделением буфера соответственно. Первый встретил резкую критику с некоторой похвалой. последний получил неоднозначные ответы. Несмотря на это, TR 24731-1 был реализован в стандартной библиотеке Microsoft C, и ее компилятор выдает предупреждения при использовании старых «небезопасных» функций.

Проблемы с потоками, уязвимость к условиям гонки

The strerror() Подпрограмму критикуют за то, что она небезопасна для потоков и уязвима к условиям гонки .

Обработка ошибок

Обработка ошибок функций стандартной библиотеки C непоследовательна и иногда сбивает с толку. Согласно странице руководства Linux math_error, «Текущая ситуация (версия 2.8) в glibc запутана. Большинство (но не все) функций вызывают исключения при ошибках. Некоторые также устанавливают errno . Несколько функций устанавливают errno , но не вызывают исключения. Очень немногие функции не делают ни того, ни другого. ."

Стандартизация

Основная статья: C (язык программирования) § История

Исходный язык C не содержал встроенных функций, таких как операции ввода-вывода, в отличие от традиционных языков, таких как COBOL и Fortran . Со временем сообщества пользователей C поделились идеями и реализациями того, что сейчас называется стандартными библиотеками C. Многие из этих идей в конечном итоге были включены в определение стандартизированного языка C.

И Unix , и C были созданы в лабораториях Bell Laboratories компании AT&T в конце 1960-х — начале 1970-х годов. В 1970-е годы язык C становился все более популярным. Многие университеты и организации начали создавать собственные варианты языка для собственных проектов. К началу 1980-х годов стали очевидны проблемы совместимости между различными реализациями языка C. В 1983 году Американский национальный институт стандартов (ANSI) сформировал комитет для установления стандартной спецификации C, известной как « ANSI C ». Кульминацией этой работы стало создание в 1989 году так называемого стандарта C89. Частью полученного стандарта стал набор программных библиотек, названный стандартной библиотекой ANSI C.

Стандартная библиотека POSIX

Основная статья: библиотека C POSIX

POSIX , как и SUS , определяют ряд подпрограмм, которые должны быть доступны помимо тех, которые есть в базовой стандартной библиотеке C. Спецификация POSIX включает файлы заголовков, среди прочего, для многопоточности , работы в сети и регулярных выражений . Они часто реализуются вместе с функциональностью стандартной библиотеки C с разной степенью близости. Например, glibc реализует такие функции, как fork в пределах libc.so, но до того, как NPTL был объединен с glibc, он представлял собой отдельную библиотеку с собственным аргументом флага компоновщика. Часто эта функциональность, определенная POSIX, рассматривается как часть библиотеки; базовая библиотека C может быть идентифицирована как библиотека C ANSI или ISO .

БСД libc

BSD libc — это расширенная версия стандартной библиотеки POSIX, поддерживаемая библиотеками C, включенными в BSD, операционные системы такие как FreeBSD , NetBSD , OpenBSD и macOS . BSD libc имеет некоторые расширения, которые не определены в исходном стандарте, многие из которых впервые появились в версии 4.4BSD 1994 года (первая, которая получила широкое развитие после выхода первого стандарта в 1989 году). Вот некоторые расширения BSD libc:

• sys/tree.h – содержит реализацию красно-черного дерева и дерева расширения.
• sys/queue.h — реализации связанного списка , очередей , хвостовой очереди и т. д.
• fgetln() – определено в stdio.h. Это можно использовать для чтения файла построчно.
• fts.h – содержит некоторые функции для обхода файловой иерархии
• db.h — некоторые функции для подключения к Berkeley DB
• strlcat() и strlcpy() – безопасные альтернативы strncat() и strncpy()
• err.h – содержит некоторые функции для печати форматированных сообщений об ошибках
• vis.h – содержит vis() функция. Эта функция используется для отображения непечатаемых символов в визуальном формате.

Стандартная библиотека C на других языках

Некоторые языки включают функциональность стандартной библиотеки C в свои собственные библиотеки. Библиотеку можно адаптировать, чтобы она лучше соответствовала структуре языка, но операционная семантика остается неизменной. Например, язык C++ включает в себя функциональность стандартной библиотеки C в пространстве имен. std (например, std::printf, std::atoi, std::feof), в заголовочных файлах с именами, похожими на C ( cstdio, cmath, cstdlib, и т. д.). Другими языками, в которых используются аналогичные подходы, являются D , Perl , Ruby и основная реализация Python, известная как CPython . Например, в Python 2 встроенные файловые объекты определяются как «реализованные с использованием языка C». stdio упаковка", поэтому ожидается, что доступные операции (открытие, чтение, запись и т. д.) будут вести себя так же, как и соответствующие функции C. У Руста есть ящик под названием libc , который позволяет использовать несколько функций C, структур и других определений типов.

Сравнение со стандартными библиотеками других языков.

Стандартная библиотека C мала по сравнению со стандартными библиотеками некоторых других языков. Библиотека C предоставляет базовый набор математических функций, манипуляций со строками, преобразования типов , а также файлового и консольного ввода-вывода. Он не включает стандартный набор « типов контейнеров », таких как C++ стандартная библиотека шаблонов , не говоря уже о полных наборах инструментов графического пользовательского интерфейса (GUI), сетевых инструментах и ​​изобилии других функций, которые Java и .NET Framework предоставляют в стандартной комплектации. Основное преимущество небольшой стандартной библиотеки состоит в том, что обеспечить рабочую среду ISO C намного проще, чем с другими языками, и, следовательно, портировать C на новую платформу сравнительно легко.

См. также

• Стандартная библиотека C++

Дальнейшее чтение

• Плаугер, П.Дж. (1992). Стандартная библиотека C (1-е изд.). Прентис Холл. ISBN  978-0131315099 .

Внешние ссылки

• Справочное руководство по библиотеке C
• Удобный список заголовков, в каком стандарте
• Microsoft Подпрограммы выполнения Universal C по категориям в MSDN
• NetBSD. Руководство по библиотекам C Архивировано 23 декабря 2015 г. на Wayback Machine и полный исходный код библиотеки C.
• Страницы руководства по оригинальным стандартным библиотекам C в Unix