关于 C 标准库

C 标准库是 C 语言的标准组成部分，提供了一系列预定义的函数、宏和类型定义。

它包含了以下主要组件：

• 标准输入输出
• 字符串处理
• 数学运算
• 内存管理
• 时间和日期处理
• 错误处理
• 类型转换
• 算法和数据结构等功能
• 泛型数学运算
• 多线程支持

头文件

<stdio.h>

提供输入输出功能，包括：

• 文件操作（如 fopen(), fclose(), fread(), fwrite()）
• 格式化输入输出（如 printf(), scanf(), fprintf(), fscanf()）
• 字符和字符串的输入输出（如 getchar(), putchar(), gets(), puts()）
• 缓冲区控制（如 fflush(), setvbuf()）
• 文件定位（如 fseek(), ftell(), rewind()）

等。

<stdlib.h>

提供通用工具函数，包括：

• 动态内存分配（如 malloc(), calloc(), realloc(), free()）
• 随机数生成（如 rand(), srand()）
• 整数算术（如 abs(), div(), labs()）
• 搜索和排序（如 qsort(), bsearch()）
• 环境交互（如 system(), getenv(), exit()）
• 字符串转换（如 atoi(), atof(), strtol()）

等。

<string.h>

提供字符串操作函数，用于：

• 字符串复制和连接（如 strcpy(), strncpy(), strcat(), strncat()）
• 字符串比较（如 strcmp(), strncmp(), strcoll()）
• 字符串搜索（如 strchr(), strstr(), strspn(), strpbrk()）
• 内存操作（如 memcpy(), memmove(), memset(), memcmp()）
• 字符串长度计算（如 strlen(), strnlen_s()）

等。

<math.h>

提供数学函数，包括：

• 三角函数（如 sin(), cos(), tan(), asin()）
• 双曲函数（如 sinh(), cosh(), tanh()）
• 指数和对数（如 exp(), log(), log10()）
• 幂运算（如 pow(), sqrt()）
• 取整函数（如 ceil(), floor(), round()）
• 绝对值和余数（如 fabs(), fmod()）

等。

<time.h>

提供时间和日期功能：

• 时间测量（如 time(), clock(), difftime()）
• 时间转换（如 localtime(), gmtime(), mktime()）
• 格式化时间显示（如 strftime(), asctime(), ctime()）
• 日期计算和时间操作
• 时区处理

<stdint.h>

提供固定宽度整数类型和相关宏：

• 精确宽度整数类型（如 int8_t, int16_t, int32_t, int64_t）
• 最小宽度类型（如 int_least8_t, int_least16_t）
• 最快最小宽度类型（如 int_fast8_t, int_fast16_t）
• 指针整数类型（如 intptr_t, uintptr_t）
• 最大宽度整数类型（如 intmax_t, uintmax_t）
• 整数常量宏（如 INT8_MIN, INT8_MAX, UINT8_MAX）

等。

<ctype.h>

提供字符分类和转换函数：

• 字符分类（如 isalpha(), isdigit(), isspace(), ispunct()）
• 字符转换（如 toupper(), tolower()）
• 区域设置相关的字符处理

等。

<assert.h>

提供断言功能：

• 运行时断言检查（assert() 宏）
• 编译时静态断言（static_assert）
• 调试辅助功能

<signal.h>

提供信号处理功能：

• 信号处理函数注册（signal()）
• 信号发送（raise()）
• 异常处理支持

<locale.h>

提供本地化支持：

• 区域设置控制（setlocale()）
• 本地化数据访问（localeconv()）
• 多语言支持

<threads.h>

提供多线程支持（C11 起）：

• 线程管理：

  • thrd_create() - 创建新线程
  • thrd_join() - 等待线程结束
  • thrd_detach() - 分离线程
  • thrd_current() - 获取当前线程
  • thrd_exit() - 终止当前线程

• 互斥量：

  • mtx_init() - 初始化互斥量
  • mtx_lock() - 加锁
  • mtx_unlock() - 解锁
  • mtx_destroy() - 销毁互斥量

• 条件变量：

  • cnd_init() - 初始化条件变量
  • cnd_signal() - 唤醒一个等待线程
  • cnd_broadcast() - 唤醒所有等待线程
  • cnd_wait() - 等待条件变量
  • cnd_destroy() - 销毁条件变量

• 线程局部存储：

  • tss_create() - 创建线程特定存储
  • tss_get() - 获取线程特定值
  • tss_set() - 设置线程特定值
  • tss_delete() - 删除线程特定存储

<stdatomic.h>

提供原子操作支持（C11 起）：

• 原子类型定义（如 atomic_int, atomic_ptr）
• 原子操作函数（如 atomic_store(), atomic_load(), atomic_exchange(), atomic_compare_exchange()）

<complex.h>

提供复数运算支持：

• 复数类型定义（complex）
• 复数运算函数
• 复数三角函数
• 复数指数和对数函数

<tgmath.h>

提供泛型数学函数支持：

• 自动类型识别的数学函数
• 支持实数和复数运算
• 包含 <math.h> 和 <complex.h> 的泛型版本
• 通过宏实现类型通用的数学运算

<stdbit.h>

提供位操作函数和宏（C23 起）：

• 位旋转：rotl(), rotr() (左旋、右旋)
• 位计数：countl_zero(), countl_one(), countr_zero(), countr_one(), popcount() (计算 0/1 位)
• 位宽：bit_width() (有效位数)
• 第一个设置位：has_single_bit(), bit_ceil(), bit_floor()
• 字节序：__STDC_ENDIAN_LITTLE__, __STDC_ENDIAN_BIG__, __STDC_ENDIAN_NATIVE__

<stdckdint.h>

提供检查整数运算，防止溢出漏洞（C23 起）：

• 检查算术（宏）：ckd_add, ckd_sub, ckd_mul

注意

1. 在使用标准库函数前，确保包含相应的头文件
2. 注意函数的返回值和错误处理，了解函数的使用限制，避免发生错误或未定义行为
3. 优先使用标准库函数而不是自己实现的函数

独立实现和宿主实现

C 语言的实现环境可以分为两种类型：freestanding（独立实现）和 hosted（宿主实现）。

独立实现

独立环境是一个最小化的执行环境，通常用于：

• 嵌入式系统
• 操作系统内核
• 引导加载程序
• 其他不依赖操作系统的程序

在独立环境中，只保证提供以下头文件：

• <float.h>
• <iso646.h>
• <limits.h>
• <stdalign.h>
• <stdarg.h>
• <stdbool.h>
• <stddef.h>
• <stdint.h>

这些头文件提供了基本的类型定义、常量和宏，但不包含任何需要操作系统支持的功能。

宿主环境

宿主环境是完整的 C 执行环境，通常运行在操作系统之上。它提供：

• 完整的 C 标准库支持
• 文件操作能力
• 内存管理功能
• 进程控制
• 标准输入输出

宿主环境包含所有 C 标准库头文件。

实际应用

Freestanding 环境的应用

1. 嵌入式系统开发

   • 单片机程序开发
   • 实时操作系统（RTOS）的内核开发
   • 设备驱动程序

2. 操作系统开发

   • 内核初始化代码
   • 启动引导程序
   • 底层系统组件

宿主环境的应用

1. 应用程序开发
   • 桌面应用程序
   • 命令行工具
   • 服务器程序

选择环境的考虑因素

1. 硬件限制

   • 如果目标平台资源受限，可能需要选择 freestanding 环境
   • 如果有完整的操作系统支持，通常选择宿主环境

2. 功能需求

   • 需要标准库支持时，选择宿主环境
   • 需要直接控制硬件时，选择 freestanding 环境

3. 性能要求

   • freestanding 环境可以实现更精确的系统控制
   • 宿主环境提供更好的开发效率和可移植性