C运行库、C标准库、操作系统API与系统调用的关系

所有的代码/函数的运行都要归结到机器级指令上来

自己编写的hello world小程序，编译成为了.exe文件，是机器级指令

调用的stdio.h中声明的prinf函数，实际上在msvcrt.dll/libc.so运行库中，是机器级指令

调用的unistd.h中声明的write函数，其对应的运行库在哪里呢？其实也在glibc中。

 

头文件.h与库文件.a/.so/.lib/.dll

• 当我们#include<stdio.h>时，实际上是把这个头文件中的所有代码在我们的源文件中展开了而已，头文件中实际上没有任何函数实现（没有函数,当然更没有main()）只有各种宏、函数的声明和全局变量的extern声明而已！如果是C++的话就是类的声明（包括类里面的成员和方法的声明）、函数原型、宏等
• 头文件中声明函数、宏、全局变量等，具体的实现在哪里呢？如果是自己的函数，则实现在.c/.cpp源文件中，如果是别人提供的接口，则实现在.so或者.a文件中。
• 那么printf()函数在stdio.h中只是被声明而已，对应的.a或者.so在哪里呢？具体的实现是C运行库的一部分，不同的平台实现不同，Windows下在msvcrt.dll中实现，（本机上这个文件在C:\Windows\System32和C:\Windows\SystemWoW64中），Linux下在lib.so中实现
• 但是，我们只是在源代码中包含了.h文件而已，真正的.so文件是如何被链接的呢？事实上gcc在编译时会默认链接一些库，如:
  • linux-gate.so 负责内核调用的库
  • libc.so 也就是glibc,C运行时库
  • ld-linux.so 加载libc和其他库

 

C运行库

是C语言的概念，与操作系统无关；例如<stdio.h>，<cmath>是运行库（的头文件），其函数的具体实现实际上在libc.so/msvcrt.dll文件中, 这就是C运行时库。只有当我们的电脑上安装了开发环境才会有stdio.h文件（在编译器目录下），但是C运行时库是系统自带的，因为操作系统本身的运行都时时依赖msvc.dll（操作系统本来就是用C语言编写的啊）

C运行时库虽然是给C语言编程序用的，但其本身可以是汇编语言编写的，也就是源代码是汇编语言。

我们自己也可以编写自己的动态库，如创建"my_math.h"/"my_math.cpp"工程, 并将其编译为.so文件，然后新的程序包含头文件就可以使用其中的函数了。显而易见有好处：不必重复编译从而节省时间、源代码不公开从而保密等等！

 

C标准库

C标准定义了C语言的实现，由两部分组成，C的语法（编译器），C语言标准库。要在一个平台上实现C标准，要实现C编译器与C标准库。　　

C标准库说白了就是一组标准头文件，每个头文件中包含函数、变量、类型声明和宏定义。这些声明的具体实现在库文件中，我们也可以按照C标准库头文件编写自己的标准库，然后编译成.so文件。其实C标准库及其扩展有很多种，标准只是理论，各种平台上的实现只需要与标准一致即可。

Linux平台下最广泛使用的C运行时库是glibc，包含了C标准库和系统函数。最基本、最常用的C标准库函数和系统函数在libc.so库文件中，几乎所有C程序的运行都依赖于libc.so，有些做数学计算的C程序依赖于libm.so，以后我们还会看到多线程的C程序依赖于libpthread.so

 

操作系统API与系统调用

API是操作系统为开发者提供的，因为仅仅依靠C标准库我们无法实现很多功能，如IO，访问内核代码, 打开文件、创建进程等。这些功能需要系统调用实现。API为C标准库提供接口，实例化的C标准库（如glibc）是在操作系统API上加入独特的算法封装成标准接口的库。

glibc中不仅提供了C标准库libc的实现，还提供了系统的API. 其实和libc一样也是一系列的库函数，其头文件有<unistd.h>等

gilbc是库，包含了C标准库和操作系统API，但为什么也称之为“系统调用”呢？

实际上系统调用可以分为两类：

1. 操作系统服务例程（系统调用函数，狭义/真正的系统调用，在内核中，普通进程无法访问）

2. 系统调用封装函数（glibc封装函数，系统调用API函数）

两者几乎是一一对应的：open函数是API，对应系统调用函数sys_open，通过软中断实现调用内核的系统服务例程。

Linux中每个系统调用都有相应的系统调用号作为唯一的标识，内核维护一张系统调用表，sys_call_table，表中的元素是系统调用函数的起始地址，而系统调用号就是系统调用在调用表的偏移量。

总之，应用程序到C标准库到API到系统调用，（几乎）是一个高层到底层的过程。（Linux平台下APP可以不用libc而直接使用API）

最后，请思考，如何不使用C语言标准库（不#include<stdio.h>等），不用printf()函数而实现打印字符串到终端？

参考资料

https://www.zhihu.com/question/46763480

https://blog.csdn.net/qq_40732350/article/details/81937915

https://wenku.baidu.com/view/6cf2e96a760bf78a6529647d27284b73f3423639.html