章节大纲

  • 术语定义（Definition of Terms）

    在 K&R 中，字符（character）的类型是 char，字符串是 char 类型的数组。C89 引入了多字节字符串和移位序列的概念，以及宽字符（wchar_t）和宽字符串（wchar_t[]）。C89 标准库中也包含了处理这些类型的函数，后续版本的标准又添加了更多的头文件和函数。

    在 C89 之前，C 语言库以所谓的“美国英语”模式运行，例如 printf 所用的小数点为英文句点 .。C89 引入了区域设置（locale）的概念，规定传统 C 语言环境被称为 "C" 区域，并引入了 <locale.h> 头文件。某些标准 C 库函数的行为会受到当前区域设置的影响，也就是说它们具有区域依赖性。

    标准头文件（The Standard Headers）

    必需内容（Required Contents）

    C89 定义了以下头文件：

    <assert.h>, <ctype.h>, <errno.h>, <float.h>, <limits.h>, <locale.h>, <math.h>,
<setjmp.h>, <signal.h>, <stdarg.h>, <stddef.h>, <stdio.h>, <stdlib.h>, <string.h>, <time.h>

    后续标准新增：

    • C95：<iso646.h>, <wchar.h>, <wctype.h>

    • C99：<complex.h>, <fenv.h>, <inttypes.h>, <stdbool.h>, <stdint.h>, <tgmath.h>

    • C11：<stdalign.h>, <stdatomic.h>, <stdnoreturn.h>, <threads.h>, <uchar.h>

    • C17：未新增任何头文件

    这些头文件名称必须全为小写，并且标准实现必须识别这些拼写。虽然某些文件系统支持大小写混合，但标准头文件的拼写不能被更改。

    每个标准头文件都是自包含的，即它包含调用其中声明函数所需的全部声明与定义。但不一定包含其函数可能返回的所有宏定义。例如，<stdlib.h> 中的 strtod 函数可能返回 HUGE_VAL，并设置 errno 为 ERANGE，但这两个宏分别定义在 <math.h> 和 <errno.h> 中，因此使用时也要包含这两个头文件。

    为实现自包含性，多个头文件可能定义相同的标识符（例如 NULL 和 size_t）。

    标准库中的所有函数都使用函数原型进行声明。

    标准头文件可以任意顺序、多次包含，不会产生不良影响。唯一的例外是 <assert.h>，如果多次包含，且 NDEBUG 宏的定义状态发生变化，行为可能会不同。

    为了完全符合标准，禁止在外部声明或定义中包含标准头文件，也就是说不应在函数内部包含标准头文件，因为函数属于外部定义。

    许多标准库函数的原型使用了 C89 引入或采用的关键字和派生类型，如 const、fpos_t、size_t 和 void *。在对老函数应用这些特性时，它们与旧式调用仍兼容。

    标准 C 要求宿主环境（hosted implementation）必须支持该版本所定义的所有标准头文件。而自由环境（freestanding implementation）只需支持以下内容：

    • C89：<float.h>, <limits.h>, <stdarg.h>, <stddef.h>

    • C95：额外要求 <iso646.h>

    • C99：添加 <stdbool.h>, <stdint.h>

    • C11：添加 <stdalign.h>, <stdnoreturn.h>

    • C17：无新增要求

    可选内容（Optional Contents）

    C11 添加了一个附录“边界检查接口（Bounds-checking interfaces）”，提供一系列可选扩展，用于增强程序的安全性，这些扩展包括新的函数、宏和类型，声明或定义在已有的标准头文件中。

    如果实现定义了宏 __STDC_LIB_EXT1__，则必须提供该附录中的所有扩展。这些扩展适用于以下头文件：

    <errno.h>, <stddef.h>, <stdint.h>, <stdio.h>, <stdlib.h>, <string.h>, <time.h>, <wchar.h>

    如果程序在包含这些头文件前定义了宏 __STDC_WANT_LIB_EXT1__ 为 0，则可以禁用这些扩展；若定义为 1，则启用扩展。

    保留标识符（Reserved Identifiers）

    所有在标准头文件中声明的外部标识符都是保留的，无论你是否实际包含该头文件。
    例如：即使你从未包含 <time.h>，也不能安全地自定义一个名为 clock 的外部函数。

    但宏名和 typedef 名不属于外部标识符，因此不受此限制。

    所有以下划线开头的外部标识符是保留的，其他库标识符应以双下划线或下划线+大写字母开头。

    标准库函数的使用（Use of Library Functions）

    并非所有标准库函数都会检查其输入参数的有效性，如果传入无效参数，行为将是未定义的。

    实现允许将任何标准库函数实现为宏，前提是这些宏是安全可展开的。也就是说，如果参数包含副作用（如函数调用、++i），展开后也不应造成副作用重复。

    如果你包含了标准头文件，不应自行显式声明其中的函数，否则可能与头文件中的宏定义冲突，从而引发错误。

    在使用库函数的地址时需注意，函数可能是宏形式。可以先使用 #undef，或使用括号包围的形式 (name) 来获取其地址。即使不使用 #undef，也可以在同一作用域中同时调用宏版本与函数版本。

    强烈建议在使用库函数时包含相应头文件。如果不包含，应显式用函数原型声明该函数，尤其是如 printf 这类变参函数。
    原因是：使用原型时，编译器会明确知道实参数量与类型，甚至可以将前几个参数通过寄存器传递；而没有原型时，调用机制不同，可能导致与库中定义不兼容而链接失败。

    非标准头文件（Non-Standard Headers）

    早期 UNIX C 库中包含通用与系统相关的函数，大多数通用部分被 C89 采纳，系统相关部分由 IEEE POSIX 接管。

    部分函数和宏被两个标准共同使用，或都未采用，它们被合理划分到了各自标准中。但有极少数函数或宏在两个标准中声明或定义方式不同，例如 <limits.h>。

    不过，两者的共同目标是：C 程序应当能同时符合 ISO C 与 POSIX 标准。

    许多常见但不属于标准 C 库的头文件包括：

    bios.h, conio.h, curses.h, direct.h, dos.h, fcntl.h, io.h, process.h,
search.h, share.h, stat.h, sys/locking.h, sys/stat.h, sys/timeb.h, sys/types.h, values.h

    有些头文件虽未被 C89 采纳，但其功能已被其他标准头文件覆盖或整合，例如：

    • malloc.h → 整合进 <stdlib.h>

    • memory.h → 功能转入 <string.h>

    • varargs.h → 被 <stdarg.h> 取代