C執行時庫(C Run-time Library)詳解
一、什麼是C執行時庫
1)C執行時庫就是 C run-time library,是 C 而非 C++ 語言世界的概念:取這個名字就是因為你的 C 程式執行時需要這些庫中的函式.
2)C 語言是所謂的“小核心”語言,就其語言本身來說很小(不多的關鍵字,程式流程控制,資料型別等);所以,C 語言核心開發出來之後,Dennis Ritchie 和 Brian Kernighan 就用 C 本身重寫了 90% 以上的 UNIX 系統函式,並且把其中最常用的部分獨立出來,形成標頭檔案和對應的 LIBRARY,C run-time library 就是這樣形成的。
3)隨後,隨著 C 語言的流行,各個 C 編譯器的生產商/個體/團體都遵循老的傳統,在不同平臺上都有相對應的 Standard Library,但大部分實現都是與各個平臺有關的。由於各個 C 編譯器對 C 的支援和理解有很多分歧和微妙的差別,所以就有了 ANSI C;ANSI C (主觀意圖上)詳細的規定了 C 語言各個要素的具體含義和編譯器實現要求,引進了新的函式宣告方式,同時訂立了 Standard Library 的標準形式。所以C執行時庫由編譯器生產商提供。至於由其他廠商/個人/團體提供的標頭檔案和庫函式,應當稱為第三方 C 執行庫(Third party C run-time libraries)。
4)C run-time library裡面含有初始化程式碼,還有錯誤處理程式碼(例如divide by zero處理)。你寫的程式可以沒有math庫,程式照樣執行,只是不能處理複雜的數學運算,不過如果沒有了C run-time庫,main()就不會被呼叫,exit()也不能被響應。因為C run-time library包含了C程式執行的最基本和最常用的函式。
5)到了 C++ 世界裡,有另外一個概念:Standard C++ Library,它包括了上面所說的 C run-time library 和 STL。包含 C run-time library 的原因很明顯,C++ 是 C 的超集,沒有理由再重新來一個 C++ run-time library. VC針對C++ 加入的Standard C++ Library主要包括:LIBCP.LIB, LIBCPMT.LIB和 MSVCPRT.LIB
二、Visual C++中對執行時庫的支援
執行時庫是程式在執行時所需要的庫檔案,通常執行時庫是以LIB或DLL形式提供的。C執行時庫誕生於20世紀70年代,當時的程式世界還很單純,應用程式都是單執行緒的,多工或多執行緒機制在此時還屬於新觀念。所以這個時期的C執行時庫都是單執行緒的。
隨著作業系統多執行緒技術的發展,最初的C執行時庫無法滿足程式的需求,出現了嚴重的問題。C執行時庫使用了多個全域性變數(例如errno)和靜態變數,這可能在多執行緒程式中引起衝突。假設兩個執行緒都同時設定errno,其結果是後設置的errno會將先前的覆蓋,使用者得不到正確的錯誤資訊。
因此,Visual C++提供了兩種版本的C執行時庫。一個版本供單執行緒應用程式呼叫,另一個版本供多執行緒應用程式呼叫。多執行緒執行時庫與單執行緒執行時庫有兩個重大差別:
(1)類似errno的全域性變數,每個執行緒單獨設定一個;
這樣從每個執行緒中可以獲取正確的錯誤資訊。
(2)多執行緒庫中的資料結構以同步機制加以保護。
這樣可以避免訪問時候的衝突。
Visual C++提供的多執行緒執行時庫又分為靜態連結庫和動態連結庫兩類,而每一類執行時庫又可再分為debug版和release版,因此Visual C++共提供了6個執行時庫。如下表:
Reusable Library | Switch | Library | Macro(s) Defined |
---|---|---|---|
Single Threaded | /ML | LIBC | (none) |
Static MultiThread | /MT | LIBCMT | _MT |
Dynamic Link (DLL) | /MD | MSVCRT | _MT and _DLL |
Debug Single Threaded | /MLd | LIBCD | _DEBUG |
Debug Static MultiThread | /MTd | LIBCMTD | _DEBUG and _MT |
Debug Dynamic Link (DLL) | /MDd | MSVCRTD | _DEBUG, _MT, and _DLL |
/MT和/MTd表示採用多執行緒CRT庫的靜態lib版本。該選項會在編譯時將執行時庫以靜態lib的形式完全嵌入。該選項生成的可執行檔案執行時不需要執行時庫dll的參加,會獲得輕微的效能提升,但最終生成的二進位制程式碼因鏈入龐大的執行時庫實現而變得非常臃腫。當某專案以靜態連結庫的形式嵌入到多個專案,則可能造成執行時庫的記憶體管理有多份,最終將導致致命的“Invalid Address specified to RtlValidateHeap”問題。另外託管C++和CLI中不再支援/MT和/MTd選項。
/MD和/MDd表示採用多執行緒CRT庫的動態dll版本,會使應用程式使用執行時庫特定版本的多執行緒DLL。連結時將按照傳統VC連結dll的方式將執行時庫MSVCRxx.DLL的匯入庫MSVCRT.lib連結,在執行時要求安裝了相應版本的VC執行時庫可再發行元件包(當然把這些執行時庫dll放在應用程式目錄下也是可以的)。 因/MD和/MDd方式不會將執行時庫連結到可執行檔案內部,可有效減少可執行檔案尺寸。當多專案以MD方式運作時,其內部會採用同一個堆,記憶體管理將被簡化,跨模組記憶體管理問題也能得到緩解。
三、MSND上相關說明
MSDN上對執行時庫的相關說明
選項 | 說明 |
---|---|
/MD | 使應用程式使用執行庫的多執行緒並特定於 DLL 的版本。 定義 _MT 和 _DLL,並使編譯器將庫名 MSVCRT.lib 放入 .obj 檔案中。 用此選項編譯的應用程式靜態連結到 MSVCRT.lib。 此庫提供允許連結器解析外部引用的程式碼的層。 實際工作程式碼包含在 MSVCR100.DLL, 中,該庫必須在執行時對於與 MSVCRT.lib 連結的應用程式可用。 |
/MDd | 定義 _DEBUG、_MT 和 _DLL,並使應用程式使用執行庫的除錯多執行緒並特定於 DLL 的版本。 它還使編譯器將庫名 MSVCRTD.lib 放入 .obj 檔案中。 |
/MT | 使應用程式使用執行庫的多執行緒靜態版本。 定義 _MT 並使編譯器將庫名 LIBCMT.lib 放入 .obj 檔案中,以便連結器使用 LIBCMT.lib 解析外部符號。 |
/MTd | 定義 _DEBUG 和 _MT。 此選項還使編譯器將庫名 LIBCMTD.lib 放入 .obj 檔案中,以便連結器使用 LIBCMTD.lib 解析外部符號。 |
/LD | 建立 DLL。 將 /DLL 選項傳遞到連結器。 連結器查詢 DllMain 函式,但並不需要該函式。 如果沒有編寫 DllMain 函式,連結器將插入返回 TRUE 的 DllMain 函式。 連結 DLL 啟動程式碼。 如果命令列上未指定匯出 (.exp) 檔案,則建立匯入庫 (.lib);將匯入庫連結到呼叫您的 DLL 的應用程式。 將 解釋為命名 DLL 而不是 .exe 檔案;預設程式名成為基名稱.dll 而不是基名稱.exe。 除非顯式指定 /MD,否則將暗指 /MT。 |
/LDd | 建立除錯 DLL。 定義 _MT 和 _DEBUG。 |
MSDN上的警告
不要混合使用執行時庫的靜態版本和動態版本。在一個程序中有多個執行時庫副本會導致問題,因為副本中的靜態資料不與其他副本共享。連結器禁止在 .exe 檔案內部既使用靜態版本又使用動態版本連結,但您仍可以使用執行時庫的兩個(或更多)副本。例如,當與用動態 (DLL) 版本的執行時庫連結的 .exe 檔案一起使用時,用靜態(非 DLL)版本的執行時庫連結的動態連結庫可能導致問題。(還應該避免在一個程序中混合使用這些庫的除錯版本和非除錯版本)。
四、舉例
C執行時庫除了給我們提供必要的庫函式呼叫(如memcpy、printf、malloc等)之外,它提供的另一個最重要的功能是為應用程式新增啟動函式。
C執行時庫啟動函式的主要功能為進行程式的初始化,對全域性變數進行賦初值,載入使用者程式的入口函式。
不採用寬字符集的控制檯程式的入口點為mainCRTStartup(void)。下面我們以該函式為例來分析執行時庫究竟為我們添加了怎樣的入口程式。這個函式在crt0.c中被定義:
void mainCRTStartup(void)
{
int mainret;
/*獲得WIN32完整的版本資訊*/
_osver = GetVersion();
_winminor = (_osver >> 8) & 0x00FF ;
_winmajor = _osver & 0x00FF ;
_winver = (_winmajor << 8) + _winminor;
_osver = (_osver >> 16) & 0x00FFFF ;
_ioinit(); /* initialize lowio */
/* 獲得命令列資訊 */
_acmdln = (char *) GetCommandLineA();
/* 獲得環境資訊 */
_aenvptr = (char *) __crtGetEnvironmentStringsA();
_setargv(); /* 設定命令列引數 */
_setenvp(); /* 設定環境引數 */
_cinit(); /* C資料初始化:全域性變數初始化,就在這裡!*/
__initenv = _environ;
mainret = main( __argc, __argv, _environ ); /*呼叫main函式*/
exit( mainret );
}
從以上程式碼可知,執行庫在呼叫使用者程式的main或WinMain函式之前,進行了一些初始化工作。初始化完成後,接著才呼叫了我們編寫的main或WinMain函式。只有這樣,我們的C語言執行時庫和應用程式才能正常地工作起來。
除了crt0.c外,C執行時庫中還包含wcrt0.c、 wincrt0.c、wwincrt0.c三個檔案用來提供初始化函式。wcrt0.c是crt0.c的寬字符集版,wincrt0.c中包含windows應用程式的入口函式,而wwincrt0.c則是wincrt0.c的寬字符集版。
Visual C++的執行時庫原始碼預設情況下不被安裝。如果您想檢視其原始碼,則需要重灌Visual C++,並在重灌在時選中安裝執行庫原始碼選項。
下面看一個未正確使用C執行時庫的控制檯程式:
#include <stdio.h>
#include <afx.h>
int main()
{
CFile file;
CString str("I love you");
TRY
{
file.Open("file.dat",CFile::modeWrite | CFile::modeCreate);
}
CATCH( CFileException, e )
{
#ifdef _DEBUG
afxDump << "File could not be opened " << e->m_cause << "\n";
#endif
}
END_CATCH
file.Write(str,str.GetLength());
file.Close();
}
在"rebuild all"的時候發生了link錯誤:
nafxcwd.lib(thrdcore.obj) : error LNK2001: unresolved external symbol __endthreadex
nafxcwd.lib(thrdcore.obj) : error LNK2001: unresolved external symbol __beginthreadex
main.exe : fatal error LNK1120: 2 unresolved externals
Error executing cl.exe.
發生錯誤的原因在於Visual C++對控制檯程式預設使用單執行緒的靜態連結庫,而MFC中的CFile類已暗藏了多執行緒。我們只需要在Visual C++6.0中依次點選Project->Settings->C/C++選單和選項,在Project Options裡修改編譯選項即可。
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