Стандартная библиотека C - C standard library

Стандартная библиотека C
Общие темы
Разные заголовки

В Стандартная библиотека C или же libc это стандартная библиотека для Язык программирования C, как указано в ANSI C стандарт.[1] Он был разработан одновременно с спецификация POSIX библиотеки C, который является его надмножеством.[2][3] Поскольку ANSI C был принят Международная организация по стандартизации,[4] стандартная библиотека C также называется Библиотека ISO C.

Стандартная библиотека C предоставляет макросы, тип определения и функции для таких задач, как нить обработка, математические вычисления, обработка ввода / вывода, управление памятью, и несколько других Операционная система Сервисы.

Интерфейс прикладного программирования

Заголовочные файлы

В интерфейс прикладного программирования (API) стандартной библиотеки C объявлен в ряде файлы заголовков. Каждый файл заголовка содержит одно или несколько объявлений функций, определений типов данных и макросов.

После длительного периода стабильности три новых файла заголовков (iso646.h, wchar.h, и wctype.h) были добавлены Нормативное приложение 1 (NA1), дополнение к стандарту C, ратифицированному в 1995 г. Еще шесть файлов заголовков (complex.h, fenv.h, inttypes.h, stdbool.h, stdint.h, и tgmath.h) были добавлены C99, пересмотр стандарта C, опубликованного в 1999 г., и еще пять файлов (stdalign.h, stdatomic.h, stdnoreturn.h, threads.h, и uchar.h) с C11 в 2011 году. Всего сейчас 29 заголовочных файлов:

ИмяИзОписание
<assert.h>Содержит утверждать макрос, используемый для помощи в обнаружении логических ошибок и других типов ошибок в отладочных версиях программы.
<complex.h>C99А набор функций для манипулирования сложные числа.
<ctype.h>Определяет набор функций используются для классификации символов по их типам или для преобразования между верхним и нижним регистром способом, который не зависит от используемого набор 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>C99Определяет набор функций для контроля плавающая точка среда.
<float.h>Определяет макроконстанты определение специфичных для реализации свойств плавающая точка библиотека.
<inttypes.h>C99Определяет целочисленные типы точной ширины.
<iso646.h>NA1Определяет несколько макросов реализующие альтернативные способы выражения нескольких стандартных токенов. Для программирования в ISO 646 вариантные наборы символов.
<limits.h>Определяет макроконстанты указание зависящих от реализации свойств целочисленных типов.
<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>C11Для запроса и указания выравнивание объектов.
<stdarg.h>Для доступа к разному количеству аргументов, передаваемых функциям.
<stdatomic.h>C11За атомарные операции на данных, совместно используемых потоками.
<stdbool.h>C99Определяет логический тип данных.
<stddef.h>Определяет несколько полезных типов и макросов.
<stdint.h>C99Определяет целочисленные типы точной ширины.
<stdio.h>Определяет основные функции ввода и вывода
<stdlib.h>Определяет числовые функции преобразования, функции генерации псевдослучайных чисел, выделение памяти, функции управления технологическим процессом
<stdnoreturn.h>C11Для указания невозвратных функций
<string.h>Определяет функции обработки строк
<tgmath.h>C99Определяет типовые математические функции.
<threads.h>C11Определяет функции для управления несколькими потоки, мьютексы и переменные состояния
<time.h>Определяет функции обработки даты и времени
<uchar.h>C11Типы и функции для управления Unicode символы
<wchar.h>NA1Определяет функции обработки широких строк
<wctype.h>NA1Определяет набор функций используется для классификации широких символов по их типам или для преобразования между верхним и нижним регистром

Три файла заголовков (complex.h, stdatomic.h, и threads.h) являются условными функциями, поддержка которых не требуется.

В POSIX standard добавил несколько нестандартных заголовков C для специфичных для Unix функций. Многие нашли свой путь к другим архитектурам. Примеры включают unistd.h и signal.h. Ряд других групп используют другие нестандартные заголовки - Библиотека GNU C имеет alloca.h, и HP OpenVMS имеет va_count () функция.

Документация

В Unix-подобных системах авторитетная документация фактически реализованного API предоставляется в виде страницы руководства. В большинстве систем справочные страницы стандартных библиотечных функций находятся в разделе 3; раздел 7 может содержать несколько общих страниц, посвященных базовым концепциям (например, человек 7 math_error в Linux ).

Реализации

Unix-подобный системы обычно имеют библиотеку C в общая библиотека форма, но файлы заголовков (и набор инструментов компилятора) могут отсутствовать при установке, поэтому разработка на языке C может быть невозможна. Библиотека C считается частью операционной системы в Unix-подобных системах. Функции C, включая стандартные функции ISO C, широко используются программами и считаются 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. Это верно для приложений, которые связаны динамически, а не статически. Кроме того, само ядро ​​(по крайней мере, в случае Linux) работает независимо от каких-либо библиотек.

В Microsoft Windows основные системные динамические библиотеки (DLL ) предоставляют реализацию стандартной библиотеки C для Microsoft Visual C ++ компилятор v6.0; стандартная библиотека C для новых версий компилятора Microsoft Visual C ++ предоставляется каждым компилятором индивидуально, а также распространяемый пакеты. Скомпилированные приложения, написанные на C, либо статически связаны с библиотекой C, либо связаны с динамической версией библиотеки, которая поставляется с этими приложениями, вместо того, чтобы полагаться на присутствие в целевых системах. Функции библиотеки C компилятора не рассматриваются как интерфейсы для Microsoft Windows.

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

Встроенные функции компилятора

Некоторые компиляторы (например, GCC[7]) предоставляют встроенные версии многих функций стандартной библиотеки C; то есть реализации функций записываются в скомпилированный объектный файл, и программа вызывает встроенные версии вместо функций в библиотеке C общий объект файл. Это снижает накладные расходы на вызов функций, особенно если вызовы функций заменены на в соответствии варианты, и позволяет другие формы оптимизация (поскольку компилятор знает поток управления характеристики встроенных вариантов), но может вызвать путаницу при отладке (например, встроенные версии нельзя заменить на инструментированный варианты).

Однако встроенные функции должны вести себя как обычные функции в соответствии с ISO C. Основное значение состоит в том, что программа должна иметь возможность создавать указатель на эти функции, принимая их адрес, и вызывать функцию с помощью этого указателя. Если два указателя на одну и ту же функцию получены в двух разных единицах трансляции в программе, эти два указателя должны сравниваться одинаково; то есть адрес приходит путем разрешения имени функции, которая имеет внешнюю (программную) связь.

Связывание, libm

Под FreeBSD[8] и Linux[нужна цитата ], математические функции (как указано в math.h) поставляются отдельно в математической библиотеке libm. Если какой-либо из них используется, компоновщику должна быть предоставлена ​​директива -lm.

Обнаружение

Согласно стандарту C макрос __STDC_HOSTED__ определяется как 1 если реализация размещена. Размещенная реализация имеет все заголовки, указанные в стандарте C. Реализация также может быть отдельно стоящий что означает, что этих заголовков не будет. Если реализация отдельно стоящий, он должен определять __STDC_HOSTED__ к 0.

Концепции, проблемы и обходные пути

Уязвимости переполнения буфера

Некоторые функции стандартной библиотеки C известны тем, что переполнение буфера уязвимостей и, как правило, поощряют ошибочное программирование с момента их принятия.[а] Наиболее критикуемые предметы:

  • процедуры обработки строк, включая strcpy () и strcat (), из-за отсутствия проверки границ и возможных переполнений буфера, если границы не проверяются вручную;
  • строковые процедуры в целом, для побочные эффекты, поощряя безответственное использование буфера, не всегда гарантируя действительный оканчивающийся нулем выход, расчет линейной длины;[b]
  • printf () семейство рутин, чтобы испортить стек выполнения когда строка формата не соответствует указанным аргументам. Этот фундаментальный недостаток создал целый класс атак: атаки на строку формата;
  • получает () и сканф () семейство подпрограмм ввода-вывода из-за отсутствия (любой или простой) проверки длины ввода.

За исключением крайнего случая с получает (), всех уязвимостей системы безопасности можно избежать, введя вспомогательный код для управления памятью, проверки границ, проверки ввода и т. д. Это часто делается в форме оболочек, которые делают стандартные библиотечные функции более безопасными и простыми в использовании. Это восходит к еще Практика программирования книга Б. Кернигана и Р. Пайка, авторы которой обычно используют программы-оболочки, которые печатают сообщения об ошибках и закрывают программу в случае возникновения ошибки.

Комитет ISO C опубликовал технические отчеты TR 24731-1.[9] и работает по ТР 24731-2[10] предложить принятие некоторых функций с проверкой границ и автоматическим выделением буфера соответственно. Первый встретил резкую критику с некоторой похвалой,[11][12] последний получил смешанные 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

В Strerror () рутина критикуют за то, что она небезопасный поток и иначе уязвимы для условия гонки.

Обработка ошибок

Обработка ошибок функций в стандартной библиотеке C непоследовательна и иногда сбивает с толку. Согласно странице руководства Linux math_error, "Текущая (версия 2.8) ситуация с glibc запутана. Большинство (но не все) функций вызывают исключения при ошибках. Некоторые также устанавливают errno. Набор нескольких функций errno, но не создавайте исключения. Очень немногие функции не делают ни того, ни другого ".[13]

Стандартизация

Основная статья: C (язык программирования) § История

Оригинал Язык C не предоставляет встроенных функций, таких как операции ввода-вывода, в отличие от традиционных языков, таких как КОБОЛ и Фортран.[нужна цитата ] Со временем сообщества пользователей C делились идеями и реализациями того, что сейчас называется стандартными библиотеками C. Многие из этих идей со временем были включены в определение стандартизированного языка C.

Обе Unix и C были созданы в Лаборатории Белла AT&T в конце 1960-х - начале 1970-х гг. В течение 1970-х годов язык Си становился все более популярным. Многие университеты и организации начали создавать свои собственные варианты языка для своих проектов. К началу 1980-х годов стали очевидны проблемы совместимости между различными реализациями C. В 1983 г. Американский национальный институт стандартов (ANSI) сформировал комитет по разработке стандартной спецификации языка Си, известной как "ANSI C ". Эта работа завершилась созданием так называемого стандарта C89 в 1989 году. Частью получившегося стандарта был набор программные библиотеки называется стандартной библиотекой ANSI C.

Стандартная библиотека POSIX

Основная статья: Библиотека C POSIX

POSIX, а также SUS укажите количество подпрограмм, которые должны быть доступны помимо подпрограмм в базовой стандартной библиотеке C. Спецификация POSIX включает файлы заголовков, среди прочего, многопоточность, сеть, и обычные выражения. Они часто реализуются вместе с функциональными возможностями стандартной библиотеки C с разной степенью близости. Например, glibc реализует такие функции, как вилка в libc.so, но прежде NPTL был объединен с glibc, он составлял отдельную библиотеку со своим собственным аргументом флага компоновщика. Часто эти функции, указанные в POSIX, рассматриваются как часть библиотеки; базовая библиотека C может быть идентифицирована как ANSI или ISO Библиотека C.

BSD libc

BSD libc является расширенным набором стандартной библиотеки POSIX, поддерживаемой библиотеками C, включенными в BSD операционные системы Такие как FreeBSD, NetBSD, OpenBSD и macOS. BSD libc имеет некоторые расширения, не определенные в исходном стандарте, многие из которых впервые появились в 1994 году. 4.4BSD выпуск (первый в значительной степени разработан после выпуска первого стандарта в 1989 г.). Некоторые из расширений BSD libc:

  • sys / tree.h - содержит реализацию Красно-черное дерево и Splay tree[14][15]
  • sys / queue.h - реализации Связанный список, очереди, хвостовая очередь, так далее.[16][17]
  • fgetln () - определено в stdio.h. Это можно использовать для чтения файла построчно.[18][19][20]
  • fts.h - содержит некоторые функции для обхода файловой иерархии[21][22]
  • db.h - некоторые функции для подключения к Berkeley DB[23][24]
  • strlcat () и strlcpy () - безопасные альтернативы для strncat () и strncpy ()[25][26][27][28][29]
  • эрр. - содержит некоторые функции для печати форматированных сообщений об ошибках[30][31]
  • vis.h - содержит vis () функция. Эта функция используется для отображения непечатаемых символов в визуальном формате.[32][33][34]

Стандартная библиотека C на других языках

Некоторые языки включают функциональность стандартной библиотеки C в свои собственные библиотеки. Библиотека может быть адаптирована для лучшего соответствия структуре языка, но операционная семантика сохраняются аналогично. В C ++ язык, например, включает в себя функциональность стандартной библиотеки C в пространство имен стандартное (например., std :: printf, std :: atoi, std :: feof), в заголовочных файлах с именами, аналогичными C (cstdio, cmath, cstdlib, так далее.). Другие языки, использующие аналогичные подходы: D, Perl, Рубин и основная реализация Python известный как CPython. В Python 2, например, встроенные файловые объекты определены как «реализованные с использованием C stdio упаковка",[35] поэтому ожидается, что доступные операции (открытие, чтение, запись и т. д.) будут вести себя так же, как соответствующие функции C. Ржавчина есть ящик под названием libc который позволяет использовать несколько функций C, структур и других определений типов.[36]

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, операций со строками, преобразования типов, а также файлового и консольного ввода-вывода. Он не включает стандартный набор "типы контейнеров " словно C ++ Стандартная библиотека шаблонов не говоря уже о полном графический интерфейс пользователя (GUI), сетевые инструменты и множество других функций, которые Ява и .NET Framework в стандартной комплектации. Основное преимущество небольшой стандартной библиотеки состоит в том, что создание рабочей среды ISO C намного проще, чем с другими языками, и, следовательно, перенос C на новую платформу сравнительно прост.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Червь Морриса который использует хорошо известную уязвимость в получает () были созданы еще в 1988 году.
  2. ^ в стандартной библиотеке C вычисление длины строки и поиск конца строки имеют линейные временные сложности и неэффективны при многократном использовании одной и той же или связанных строк

Рекомендации

  1. ^ ISO /IEC (1999). ISO / IEC 9899: 1999 (E): Языки программирования - C §7.19.1 пункт 1
  2. ^ «Библиотека GNU C - Введение». gnu.org. Получено 2013-12-05.
  3. ^ «Разница между стандартной библиотекой C и библиотекой C POSIX». stackoverflow.com. 2012. Получено 2015-03-04.
  4. ^ "Стандарты C". Кейл. Получено 24 ноября 2011.
  5. ^ «Re: Поддерживает ли Newlib процессоры без MMU?». Cygwin.com. 23 марта 2006 г. Архивировано с оригинал 22 ноября 2008 г.. Получено 28 октября 2011.
  6. ^ "musl libc". Etalabs.net. Получено 28 октября 2011.
  7. ^ Другие встроенные функции, предоставляемые GCC, Руководство GCC
  8. ^ "Компиляция с помощью cc". Получено 2013-03-02.
  9. ^ «ISO / IEC TR 24731-1: Расширения библиотеки C, Часть I: Интерфейсы проверки границ» (PDF). open-std.org. 2007-03-28. Получено 2014-03-13.
  10. ^ «ISO / IEC WDTR 24731-2: Расширения библиотеки C, Часть II: Функции динамического размещения» (PDF). open-std.org. 2008-08-10. Получено 2014-03-13.
  11. ^ Используете ли вы «безопасные» функции TR 24731 в своем коде на языке C? - Переполнение стека
  12. ^ «Обзор группы Остин ISO / IEC WDTR 24731». Получено 28 октября 2011.
  13. ^ "math_error - обнаружение ошибок математических функций". man7.org. 2008-08-11. Получено 2014-03-13.
  14. ^ "дерево". Man.freebsd.org. 2007-12-27. Получено 2013-08-25.
  15. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/sys/sys/tree.h". bxr.su.
  16. ^ "очередь". Man.freebsd.org. 2011-05-13. Получено 2013-08-25.
  17. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/sys/sys/queue.h". bxr.su.
  18. ^ "fgetln". Man.freebsd.org. 1994-04-19. Получено 2013-08-25.
  19. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/stdio/fgetln.c". bxr.su.
  20. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/include/stdio.h". bxr.su.
  21. ^ "фтс". Man.freebsd.org. 2012-03-18. Получено 2013-08-25.
  22. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/include/fts.h". bxr.su.
  23. ^ "дб". Man.freebsd.org. 2010-09-10. Получено 2013-08-25.
  24. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/include/db.h". bxr.su.
  25. ^ Миллер, Тодд С. и Тео де Раадт. strlcpy и strlcat - согласованные, безопасные, строковое копирование и конкатенация. Материалы Ежегодной технической конференции USENIX 1999 г., 6–11 июня 1999 г., стр. 175–178.
  26. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/string/strlcat.c". bxr.su.
  27. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/string/strlcpy.c". bxr.su.
  28. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/string/strncat.c". bxr.su.
  29. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/string/strncpy.c". bxr.su.
  30. ^ "ошибка". Man.freebsd.org. 2012-03-29. Получено 2013-08-25.
  31. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/include/err.h". bxr.su.
  32. ^ "vis (3)". Man.FreeBSD.org. Получено 14 сентября 2013.
  33. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/lib/libc/gen/vis.c". bxr.su.
  34. ^ "Перекрестная ссылка BSD суперпользователя: /OpenBSD/include/vis.h". bxr.su.
  35. ^ «Стандартная библиотека Python: 6.9. Файловые объекты». Docs.python.org. Получено 28 октября 2011.
  36. ^ "libc". Ящики из ржавчины. Архивировано из оригинал 18 августа 2016 г.. Получено 31 июля 2016.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка