C++ 标准库是如何在幕后工作的？答案

【问题标题】：How does the C++ standard library work behind the scenes?C++ 标准库是如何在幕后工作的？
【发布时间】：2020-05-18 01:22:15
【问题描述】：

在过去的几天里，这个问题一直困扰着我。我想知道标准库在功能方面是如何工作的。即使通过检查 LLVM 编译器提供的source code，我也无法在任何地方找到答案，对于像我这样的初学者来说，这是一段非常复杂的代码。

我在这里主要想了解的是 C++ 标准库是如何工作的。例如，让我们以fstream 头文件为例，它由一堆有助于写入和读取文件的函数组成。

它是如何工作的？它是否使用操作系统特定的 API（因为库是跨平台的），还是什么？而且，如果标准库可以做到这一点，我难道不应该在不调用标准fstream 文件的情况下也能处理一些文件吗（根据我的经验，我不能这样做）？

如果我不是以英语为母语的人，如果我的问题不清楚，我深表歉意：请随时修改此文本以使其更清晰。

【问题讨论】：

标准库的接口是跨平台的。实施通常不是。是的当然是最终使用操作系统提供的设施。
如果您不关心您的程序是否可移植，您也可以使用操作系统提供的 API。
有不同的 STL 实现可用。 Visual Studio 有他们的。 GCC 有他们的，等等。通常大多数 C++ 已经可以跨平台工作，但是可以专门化代码以利用某些 OS 功能。
我认为这是主题。一个清晰、写得很好的编程问题，有一个技术性的、非主观的答案。投票决定重新开放。
您不需要使用 C++ 标准库。它只是为了让您的代码跨平台而存在。例如 - 要打开一个文件，您可以使用 std::fstream 或者您可以只调用标准库调用的操作系统特定函数（在 Windows 上，如果您使用 ASCII，则它是 CreateFileA。您甚至不需要头文件和您可以从作为 Windows 操作系统一部分的 kernel32.dll 创建链接库

标签： c++ c++-standard-library

【解决方案1】：

它是否使用操作系统特定的 API（因为库是跨平台的），还是什么？

在某些时候，会使用操作系统特定的 API。 fstream 实现不一定直接调用操作系统函数。它可能会使用其他类，这些类调用从 C 继承的函数等，但最终调用链将导致 OS 调用。 （是的，对于中级程序员来说，细节通常过于复杂。所以，作为一个自称是初学者，你的发现并不奇怪。）

该库是跨平台的，在您（C++ 程序员）端，无论平台如何，接口都是相同的。但是，它不是每个平台上的同一个库。每个平台都有自己的库，在 C++ 端公开相同的接口，但使用不同的操作系统调用。（事实上，同一个平台可能有多个标准库，因为库实现是由您的工具链提供的，而不是由标准委员会提供的。）

而且，如果标准库可以做到这一点，我难道不应该在不调用标准fstream 文件的情况下也能处理一些文件吗（根据我的经验，我不能这样做）？

是的，您可以这样做。显然，您还不能做到，但通过一些练习和指导，您应该能够做到。标准库中的所有内容都可以在您自己的代码中重新创建。标准库（以及大多数库，就此而言）的重点是节省您的时间，而不是启用原本不可用的东西。例如，您不必为您编写的每个程序都实现文件流；它位于标准库中，因此您可以专注于项目中更有趣的方面。

【讨论】：

我希望文字足够清晰。有人告诉我，我的写作风格对于非母语人士来说可能很粗糙。我确实试着把它调低一点。如果不够，请道歉。

【解决方案2】：

从某种意义上说，标准库是跨平台的，它的接口不会在平台之间改变，但它的实现会改变——或者实际上——如果你只使用 C++ 及其标准库，你可以用同样的方式编写代码Linux / Windows / MacOS / Android / Whatever 如果你找到了 C++对于支持您使用的语言功能的平台之一的编译器，您将能够为该平台编译代码而无需重写任何内容。

因此，尽管您可以使用库中的 std::vector 或 std::fstream 或任何其他功能，而与您正在编写的平台无关，并期望函数定义、类型名称等看起来相同，但您不能期望您为装有 Windows 10 的 PC 编译的可执行文件，以便在装有 Android 的手机上运行。您甚至不能期望相同的可执行文件在同一台 PC 上运行但使用不同的系统 - 这就是我所说的“实现不同”的意思

造成这种差异的主要原因有两个：

具有不同架构（例如 x86-64 和 ARM）的处理器使用不同的指令集，因此需要将 C++ 源代码编译为完全不同的机器代码才能正常运行
具有相同架构处理器但操作系统不同的计算机在动态分配内存、创建文件、创建流、写入控制台、创建和调度线程等方面具有不同的方式 - 这是您系统功能的一部分通过标准库使用

如果你真的想要你可以使用HeapAlloc() 而不是operator new() 或CreateThread() 而不是stdlib 的std::thread 但这会迫使你在每次你想要编译它时都重写你的程序Windows 并使用目标平台的编译器重新编译它（并通过代理学习它的 API）。标准库通过抽象出那些系统调用，让您免于麻烦。

尤其是fstream，here 是当今大多数 PC 内部使用的。

【讨论】：

【解决方案3】：

编译器只是一个创建可执行文件或库的程序。您可以使用编译器默认库来获得时间或编写自己的库。默认库与操作系统通信以进行文件操作或内存分配，并提供简单的标准类以允许开发人员仅编写一个代码，该代码可在编译器和库支持的所有目标平台上运行。如果你想编写自己的，你必须为你所有的目标操作系统编写每个函数。

【讨论】：

【解决方案4】：

基本上，fstream、iostream 和 printf 基于核函数 write() 工作。当你的代码调用printf（我们以printf为例）时，它最终会调用write()让内核处理IO的东西。之后，write() 返回，printf 返回，您的代码继续运行。

所以如果你真的想知道printf在内部是如何工作的，你必须阅读内核的源代码。

但你现在不应该这样做。

对于初学者，在对计算机没有基本认识的情况下，不要试图深入。计算机是一个项目，就像一座建筑物。所以正确的学习方法是逐级学习。首先，学习如何使用砖和水泥建造建筑物，这是你现在应该做的。您不应该做的是您正在学习如何建造建筑物，这是您第一次尝试使用砖块，然后您对如何生产砖块感兴趣并开始专注于砖块，这是错误的方式学习 IT。

如果你正在学习 C/C++，那就学吧。请记住，逐级学习。现在，知道如何使用printf 就足够了。

【讨论】：

回复：“基于内核函数write()”——也许，如果内核有它的话。但是要了解printf 在内部是如何工作的，首先要从printf 的源代码开始。