充分理解 C/C++ 重要概念：運(yùn)行時(shí)庫(kù)

作者：騰訊技術(shù)工程 2025-03-03 09:10:00

本文介紹了什么是C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，運(yùn)行時(shí)庫(kù)的主要的功能，各平臺(tái)的存在形式，以及開(kāi)發(fā)要注意的問(wèn)題，包括多實(shí)例問(wèn)題和多版本問(wèn)題等。

作者 | robot

在C/C++開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，運(yùn)行時(shí)庫(kù)（Run Time Library）是一個(gè)非常重要且基礎(chǔ)的概念，但是相關(guān)的介紹文章卻很少，以至于對(duì)很多開(kāi)發(fā)同學(xué)來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)偏神秘的存在，本文作者查閱了大量資料，并結(jié)合自己的理解，希望能夠通俗易懂的科普和揭秘一下這一領(lǐng)域，內(nèi)容包括什么是C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，它的主要功能，各平臺(tái)的存在形式，以及開(kāi)發(fā)中要注意的問(wèn)題。

一、認(rèn)識(shí)C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)

1. 初識(shí)概念

你是否知道，我們開(kāi)發(fā)的C/C++程序，在運(yùn)行過(guò)程中，背后有一個(gè)基礎(chǔ)模塊，在默默提供著支持？

這背后的基礎(chǔ)模塊，也叫基礎(chǔ)庫(kù)，或運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

見(jiàn)下圖，支撐C/C++程序運(yùn)行的，除了CPU/內(nèi)存等硬件和操作系統(tǒng)之外，還有C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)：

那么，它具體在干什么呢？要理解這一概念，需要先從C/C++語(yǔ)言說(shuō)起。

2. 編程語(yǔ)言

基本每種編程語(yǔ)言，包括C/C++語(yǔ)言，都包括兩個(gè)部分：

語(yǔ)法部分：比如判斷、循環(huán)、定義變量、函數(shù)、類、注釋等，及一些內(nèi)置類型。
標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)部分：該語(yǔ)言最常用的函數(shù)或類庫(kù)，比如輸入輸出、內(nèi)存管理、字符串操作、數(shù)學(xué)函數(shù)、線程相關(guān)等。因?yàn)樘A(chǔ)常用，所以被納入語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)的一部分，稱為標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

狹義的語(yǔ)言，僅僅是指語(yǔ)法部分，可稱之為語(yǔ)言本身；廣義的語(yǔ)言，是指語(yǔ)法部分+標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)部分。

語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)+各種第三方庫(kù)，組成了我們程序中常見(jiàn)的各種庫(kù)。

C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，就是在運(yùn)行時(shí)，為語(yǔ)言的這兩部分提供基礎(chǔ)支持的庫(kù)。或者簡(jiǎn)言之，C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，就是C/C++程序在運(yùn)行時(shí)依賴的基礎(chǔ)庫(kù)。

3. 其它語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)庫(kù)

除了C/C++語(yǔ)言之外，其它語(yǔ)言其實(shí)也有自己的運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

比如Java，其運(yùn)行時(shí)庫(kù)就是Java運(yùn)行時(shí)環(huán)境（JRE），它包括Java虛擬機(jī)（JVM）和Java標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。

比如Python，其運(yùn)行時(shí)庫(kù)是指Python的解釋器 + Python標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)。
比如JavaScript，其運(yùn)行時(shí)庫(kù)是指瀏覽器 + JavaScript解釋器。

總的來(lái)說(shuō)，語(yǔ)言的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，就是為該語(yǔ)言編寫(xiě)的程序，在運(yùn)行時(shí)提供基礎(chǔ)支持的庫(kù)或環(huán)境。

二、C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)的功能

這一部分，我們來(lái)看看C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)的具體功能。

對(duì)于 C 和 C++，其實(shí)是兩種不同的語(yǔ)言，后者是在前者的基礎(chǔ)上擴(kuò)展而來(lái)，它們的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，也是有兩個(gè)，我們分開(kāi)來(lái)看看。

1. C運(yùn)行時(shí)庫(kù)

C語(yǔ)言包括如下常用函數(shù)：

輸入輸出函數(shù)，比如 printf、scanf、puts
內(nèi)存管理函數(shù)，比如 malloc、free、realloc
文件系列函數(shù)，比如 fopen、fread、fwrite
字符串相關(guān)函數(shù)，比如 strcpy、strcmp、strlen
數(shù)學(xué)函數(shù)，比如 sin、cos、sqrt

這些函數(shù)是怎么實(shí)現(xiàn)的？是由誰(shuí)提供的？

這些函數(shù)并不是由操作系統(tǒng)提供的，而是由C語(yǔ)言提供的，準(zhǔn)確說(shuō)是由C運(yùn)行時(shí)庫(kù)提供的。

比如內(nèi)存相關(guān)：

Linux系統(tǒng)原本提供的內(nèi)存分配函數(shù)（也叫API），是brk、mmap等，而Windows系統(tǒng)提供的API是HeapAlloc、HeapFree、VirtualAlloc等，C語(yǔ)言（準(zhǔn)確說(shuō)是C運(yùn)行時(shí)庫(kù)）把各操作系統(tǒng)提供的API封裝成統(tǒng)一的malloc、free。

如下圖，Linux下malloc調(diào)用系統(tǒng)API的堆棧：

Windows下malloc調(diào)用系統(tǒng)API的堆棧：

（事實(shí)上，malloc內(nèi)部并不是簡(jiǎn)單調(diào)用各系統(tǒng)API，而是做了一個(gè)內(nèi)存池，小內(nèi)存從池中分配，大內(nèi)存調(diào)系統(tǒng)API）

對(duì)于文件：

C語(yǔ)言提供的fopen、fread、fwrite等，即FILE系列的緩沖文件，同樣是調(diào)用各平臺(tái)的系統(tǒng)API實(shí)現(xiàn)的。Linux下是調(diào)用open、write等非緩沖文件接口，Windows下是調(diào)用CreateFile、WriteFile等。
除了上面說(shuō)的平臺(tái)相關(guān)函數(shù)外，C運(yùn)行時(shí)庫(kù)里，還有一些是平臺(tái)無(wú)關(guān)或關(guān)系不大的函數(shù)，比如字符串、數(shù)學(xué)相關(guān)函數(shù)等。
另外C運(yùn)行時(shí)庫(kù)為了支持程序的運(yùn)行，還在統(tǒng)一的main函數(shù)前后做了一些邏輯，比如在main之前初始化一些全局變量、環(huán)境變量、命令行參數(shù)等，在main之后做一些資源的清理等。

總結(jié)一下，C運(yùn)行時(shí)庫(kù)里提供了一系列常用的庫(kù)函數(shù)，包括把平臺(tái)相關(guān)函數(shù)封裝成統(tǒng)一的接口、平臺(tái)無(wú)關(guān)的，以及給我們提供了一個(gè)統(tǒng)一的main入口。

這些庫(kù)函數(shù)是事先編譯好的，通常隨編譯器一起發(fā)布，編譯器在編譯我們的程序時(shí)，自動(dòng)幫我們做了鏈接，讓我們無(wú)感。

這也是為什么教科書(shū)說(shuō)C語(yǔ)言是可移植語(yǔ)言的原因之一，因?yàn)檫@些跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)幫我們屏蔽了操作系統(tǒng)的差異，否則就需要調(diào)各操作系統(tǒng)的API，為不同平臺(tái)編寫(xiě)不同的代碼了。

2. C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)

C++語(yǔ)言，是在C語(yǔ)言的基礎(chǔ)上提供了更多的功能特性，包括：

語(yǔ)言本身，提供了類、多態(tài)、new/delete、異常、RTTI等。
標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，提供了string、vector、list、map等各種容器和算法，以及輸入輸出流、智能指針、日期時(shí)間、線程相關(guān)等。

C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，也是在C運(yùn)行時(shí)庫(kù)的基礎(chǔ)上，為C++語(yǔ)言的這兩部分特性提供支持。

這些庫(kù)，語(yǔ)言提供者們幫我們實(shí)現(xiàn)好，放在一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)或靜態(tài)庫(kù)中，編譯器最終做鏈接即可。

3. 總結(jié)一下

C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)的具體功能，綜合來(lái)看，有幾方面：

支持程序的啟動(dòng)和退出。包括main之前的全局變量、環(huán)境變量、命令行參數(shù)的初始化，和main之后的資源清理等。
把一些平臺(tái)相關(guān)API封裝成統(tǒng)一的庫(kù)函數(shù)或類，便于我們跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)。
其它常用功能的實(shí)現(xiàn)，封裝成函數(shù)或類。
少量語(yǔ)言特性的支持，比如異常處理、RTTI等。

三、各平臺(tái)的C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)

前面介紹了C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)的通用概念和主要功能，這部分介紹一下在各平臺(tái)的具體存在形式。

為了更好的理解，在之前先介紹一下語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)、動(dòng)態(tài)庫(kù)與靜態(tài)庫(kù)，以及各平臺(tái)的庫(kù)文件格式。

1. 標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)現(xiàn)

C和C++語(yǔ)言，都是只有一種標(biāo)準(zhǔn)，但有多種實(shí)現(xiàn)。

(1) 一種標(biāo)準(zhǔn)

即 ISO 的C/C++標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)制定的，但這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)按時(shí)間順序，有多個(gè)版本，后一個(gè)版本在前一個(gè)版本基礎(chǔ)上改進(jìn)，增加新的特性，同時(shí)也可能廢棄一些特性。

對(duì)于C語(yǔ)言，有C89/C90、C99、C11等；C++ 有 C++98、C++11、C++17、C++20 等。

C標(biāo)準(zhǔn)各版本簡(jiǎn)介：

C89：ANSI C，第一個(gè)版本，是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，有32個(gè)關(guān)鍵字，1989年
C90：和C89差不多，被國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)采納，1990年
C99：1999年發(fā)布，增加了多個(gè)特性，包括變長(zhǎng)數(shù)組、inline關(guān)鍵字、//注釋、宏可變參數(shù)
C11：2011年發(fā)布，增加了多線程、內(nèi)存對(duì)齊、Unicode等支持

C++標(biāo)準(zhǔn)各版本簡(jiǎn)介：

C++98：C++的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)版本，1998年由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）發(fā)布。
C++03：對(duì)C++98的一個(gè)小修訂，2003年發(fā)布。
C++11：2011年發(fā)布，重大更新，引入了很多新特性，如auto類型、范圍for循環(huán)、列表初始化、lambda表達(dá)式等。
C++14：2014年發(fā)布，對(duì)C++11的一個(gè)小修訂。
C++17：2017年發(fā)布，重大更新，引入了很多新特性，如結(jié)構(gòu)化綁定、并行算法、模板參數(shù)自動(dòng)推導(dǎo)等。
C++20：2020年發(fā)布。引入了很多新特性，如概念、協(xié)程、模塊等。

語(yǔ)言的標(biāo)準(zhǔn)，只是定義了語(yǔ)言的語(yǔ)法語(yǔ)義，以及有哪些頭文件、庫(kù)函數(shù)聲明等，但并不負(fù)責(zé)語(yǔ)言及這些庫(kù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

(2) 多種實(shí)現(xiàn)

語(yǔ)言的具體實(shí)現(xiàn)，是由各編譯器廠商完成的，包括語(yǔ)法語(yǔ)義的實(shí)現(xiàn)，和標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（運(yùn)行時(shí)庫(kù)）的實(shí)現(xiàn)。

主要的有Linux下GNU的實(shí)現(xiàn)，Windows下的MSVC實(shí)現(xiàn)、以及LLVM的實(shí)現(xiàn)等，后文會(huì)具體介紹。

標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)的關(guān)系：

標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)現(xiàn)不一定是完全一致的。比如某編譯器版本，可能對(duì)標(biāo)準(zhǔn)某特性的遵循不夠完善，也有可能某個(gè)編譯器先實(shí)現(xiàn)了某語(yǔ)言特性，然后才被納入標(biāo)準(zhǔn)。

2. 靜態(tài)庫(kù)與動(dòng)態(tài)庫(kù)

與我們自己開(kāi)發(fā)的庫(kù)是分為靜態(tài)庫(kù)與動(dòng)態(tài)庫(kù)（也叫共享庫(kù)）一樣，C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)也是分為靜態(tài)庫(kù)與動(dòng)態(tài)庫(kù)。比如在Linux平臺(tái)，靜態(tài)庫(kù)的后綴是.a，動(dòng)態(tài)庫(kù)的后綴是.so。

動(dòng)態(tài)庫(kù)（共享庫(kù)）會(huì)被多個(gè)程序共享，好處是程序體積小，但缺點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)會(huì)多一些依賴。
靜態(tài)庫(kù)正好相反，優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行時(shí)少依賴，但缺點(diǎn)是體積大，因?yàn)樗绘溄舆M(jìn)可執(zhí)行文件內(nèi)部。

這些靜態(tài)庫(kù)或動(dòng)態(tài)庫(kù)，是由廠商開(kāi)發(fā)，提前編譯好，然后在編譯器編譯鏈接我們的程序時(shí)，自動(dòng)鏈接進(jìn)去。

3. 庫(kù)的文件格式

不同平臺(tái)的庫(kù)文件的二進(jìn)制格式是不一樣的，文件名后綴也不一樣，為了避免在后文中部分同學(xué)疑惑，這里簡(jiǎn)單介紹一下各平臺(tái)的庫(kù)文件格式。

可執(zhí)行/庫(kù)文件格式，常見(jiàn)的就是三種，我列成一個(gè)表格：

注：

ELF：Executable and Linkable Format
PE：Portable Executable
Mach-O：Mach Object file format

4. 各平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)在我們開(kāi)始看看各平臺(tái)的具體實(shí)現(xiàn)，包括Linux平臺(tái)的GNU實(shí)現(xiàn)、Windows的實(shí)現(xiàn)、LLVM的實(shí)現(xiàn)、移動(dòng)端的實(shí)現(xiàn)，以及其它嵌入式平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)。

(1) GNU的實(shí)現(xiàn)

這是Linux后臺(tái)開(kāi)發(fā)最常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)，其C運(yùn)行時(shí)庫(kù)是GNU C Library，簡(jiǎn)稱glibc。

GNU簡(jiǎn)介：GNU是一個(gè)開(kāi)源項(xiàng)目，全稱GNU's Not Unix，目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一個(gè)操作系統(tǒng)，但由于其內(nèi)核開(kāi)發(fā)緩慢，我們實(shí)際上用到的是GNU的各種上層工具+Linux內(nèi)核的結(jié)合，即GNU/Linux。
GNU項(xiàng)目具體包括：GCC（多種編譯器集合）、C庫(kù)（即glibc）、bash及各種命令行工具、編輯器等。我們?nèi)粘＝佑|到的Linux，其實(shí)準(zhǔn)確叫GNU/Linux，它是由GNU的各種上層工具+Linux內(nèi)核組成。常見(jiàn)的各種Linux發(fā)行版（Ubuntu、Debian、CentOS等），都屬于GNU/Linux。

在Linux平臺(tái)，一個(gè)最簡(jiǎn)單的C語(yǔ)言程序，在運(yùn)行時(shí)會(huì)依賴哪些庫(kù)？

如下Hello World代碼：

// hello.c
#include <stdio.h>
int main() {
  printf("Hello World!\n");
  return 0;
}

使用 gcc 編譯，默認(rèn)動(dòng)態(tài)鏈接C運(yùn)行時(shí)庫(kù)：

gcc hello.c -o hello

使用 ldd 命令查看依賴：

圖中的libc.so，即C的運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

其實(shí)嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，圖中的這三個(gè)庫(kù)，都是C程序的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，因?yàn)槎际菫槌绦虻倪\(yùn)行提供支持的。

順便看看文件大小：

Linux平臺(tái)，一個(gè)最簡(jiǎn)單的C++程序，運(yùn)行時(shí)會(huì)依賴哪些庫(kù)？

如下Hello World代碼：

// hello.cpp
#include <iostream>
int main() {
    std::cout << "Hello World!" << std::endl;
    return 0;
}

使用g++編譯，默認(rèn)動(dòng)態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)：

g++ hello.cpp -o hello

用 ldd 命令查看依賴：

圖中的libstdc++.so，即C++的運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

附其它幾個(gè)庫(kù)簡(jiǎn)介：

linux-vdso.so：虛擬庫(kù)，用于程序更高效的調(diào)用部分內(nèi)核接口
libm.so：數(shù)學(xué)庫(kù)
libgcc_s.so：gcc的支持庫(kù)，用異常處理、RTTI等
ld-linux-x86-64.so：動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載器

庫(kù)的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)：

gcc、g++對(duì)于C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，默認(rèn)都是鏈接到其動(dòng)態(tài)庫(kù)版，但也可以鏈接到其靜態(tài)庫(kù)版。

方法是：

C庫(kù)：gcc指定 -static 參數(shù)，這樣就可以鏈接到靜態(tài)庫(kù) libc.a（事實(shí)上-static會(huì)把所有庫(kù)都靜態(tài)鏈接）
C++庫(kù)：g++ 指定 -static-libstdc++ 參數(shù)，這樣就可以鏈接到靜態(tài)庫(kù)版libstdc++.a

一個(gè)C程序使用 -static 靜態(tài)鏈接后，再看看其依賴的庫(kù)：

看看文件大小：

圖中看出，二進(jìn)制不再依賴 libc.so 等庫(kù)了，這些庫(kù)被靜態(tài)鏈接到了可執(zhí)行文件內(nèi)部，體積也比之前大了。

(2) Windows的實(shí)現(xiàn)

在Windows平臺(tái)，微軟也實(shí)現(xiàn)了自己的C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，一般隨Visual Studio發(fā)行。

一個(gè)最簡(jiǎn)單的C/C++程序，使用vs2022編譯，默認(rèn)指定/MD選項(xiàng)

用 Depends 工具查看其依賴的動(dòng)態(tài)庫(kù)：

圖中的紅框部分，就是C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

在 Visual Studio 里，也可以設(shè)置動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接運(yùn)行時(shí)庫(kù)，方法是：

工程設(shè)置里（C/C++ -> 代碼生成 -> 運(yùn)行庫(kù)）

/MT 多線程，即鏈接到靜態(tài)庫(kù)版
/MD 多線程DLL，即鏈接到動(dòng)態(tài)庫(kù)版

另外還有個(gè) /MTd 、/MDd 是用于調(diào)試版本。

當(dāng)設(shè)置 /MT 即靜態(tài)鏈接后，就不再依賴這些庫(kù)了，如下圖：

hello.exe 文件體積從 13K 增加到 200K。

Windows平臺(tái)C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)動(dòng)態(tài)版的文件名，不同的版本不一樣。

早期的Vc6，是 msvcrt.dll 和 msvcp6.dll
后來(lái)的版本，是 msvcrXX.dll 和 msvcpXX.dll（XX為版本號(hào)）
從vs2015開(kāi)始，微軟對(duì)其進(jìn)行了重構(gòu)，拆分成了ucrtbase.dll、msvcp140.dll、vcruntime140.dll等

(3) LLVM的實(shí)現(xiàn)

LLVM是一個(gè)較新的開(kāi)源項(xiàng)目，可以說(shuō)是專門(mén)為做編譯器相關(guān)而生，是一個(gè)更優(yōu)的編譯器，各種配套的工具也比較完善，近年來(lái)越來(lái)越多的項(xiàng)目開(kāi)始使用LLVM。

LLVM里用于C系語(yǔ)言（C、C++ 和 Objective-C）的編譯器前端，叫Clang。

除了做編譯器外，LLVM也開(kāi)發(fā)了自己的C++庫(kù)，名字叫 libc++ （不同于GNU的 libstdc++）。LLVM也有自己的C庫(kù)，不過(guò)目前還不夠完善。

LLVM是一個(gè)跨平臺(tái)項(xiàng)目，支持多種平臺(tái)，包括Linux、Windows、macOS、iOS、Android等。

比如在Linux平臺(tái)，其C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)的文件名，動(dòng)態(tài)庫(kù)版叫l(wèi)ibc++.so，靜態(tài)庫(kù)版叫l(wèi)ibc++.a。

(4) 移動(dòng)端的實(shí)現(xiàn)

① iOS：

在iOS及macOS平臺(tái)，蘋(píng)果使用了LLVM的Clang作為Xcode內(nèi)置的C/C++編譯器。

其C運(yùn)行時(shí)庫(kù)文件名是 libSystem.dylib，這個(gè)庫(kù)也包含了其它系統(tǒng)庫(kù)的功能。
其C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)是 libc++.dylib 或 libc++.a。

② Android：

Android平臺(tái)一般使用Java或Kotlin開(kāi)發(fā)，但在某些性能要求高的場(chǎng)合，也會(huì)使用C/C++開(kāi)發(fā)，即NDK開(kāi)發(fā)。

Android平臺(tái)的C運(yùn)行時(shí)庫(kù)，叫Bionic libc，這是Google為Android專門(mén)開(kāi)發(fā)的，比glibc更輕量，更適合移動(dòng)設(shè)備。它同時(shí)提供了動(dòng)態(tài)庫(kù)版本（libc.so）和靜態(tài)庫(kù)版本（libc.a）。
Android NDK的C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，以前支持三種：libc++（即LLVM的）、libstdc++（即GNU的）和STLport，后來(lái)從NDK r18開(kāi)始，只支持libc++了。

Android平臺(tái)里的 libc++ 庫(kù)的名字不太一樣，其動(dòng)態(tài)庫(kù)版叫 libc++_shared.so，靜態(tài)庫(kù)版本叫 libc++_static.a。

是鏈接到靜態(tài)庫(kù)還是動(dòng)態(tài)庫(kù)，可以在工程里指定，比如：

APP_STL := c++_shared

(5) 其它實(shí)現(xiàn)

除了上面常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)之外，還有一些早期的C/C++編譯器，也都帶有自己的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，比如Turbo C（很多人在學(xué)校里用的）、Borland C++（有人用過(guò)嗎）、C++Builder 等。

在一些嵌入式平臺(tái)，會(huì)使用一些更輕量的C運(yùn)行時(shí)庫(kù)，主要有開(kāi)源的 Newlib、uClibc、musl 等。

5. 總結(jié)一下

總結(jié)一個(gè)表格：

四、C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)相關(guān)問(wèn)題

在開(kāi)發(fā)中，我們常碰到的C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)相關(guān)問(wèn)題，主要有多實(shí)例問(wèn)題和多版本問(wèn)題，下面分別介紹一下。

1. 運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多實(shí)例問(wèn)題

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，這里先只考慮單一開(kāi)發(fā)環(huán)境下（即只有一個(gè)編譯器和運(yùn)行時(shí)庫(kù)版本），進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)例的問(wèn)題。

先看一段代碼：

動(dòng)態(tài)庫(kù)導(dǎo)出一個(gè)接口函數(shù)：

char *GetData() {
  char *data = malloc(100);
  strcpy(data, "Hello World!");  // 僅演示，工作中不要用strcpy
  return data;
}

主程序調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)的接口函數(shù)：

int main() {
  char *data = GetData();
  free(data);
  return 0;
}

這段代碼，在有些平臺(tái)下運(yùn)行（主要是Windows平臺(tái)），可能會(huì)crash。

為什么會(huì)crash，根本原因是和運(yùn)行時(shí)庫(kù)的內(nèi)存堆有關(guān)，下面具體講講。

(1) 單內(nèi)存堆

在C運(yùn)行時(shí)庫(kù)內(nèi)部，有一個(gè)內(nèi)存堆，也就是一個(gè)內(nèi)存池，如下圖：

圖片

大多數(shù)情況下，進(jìn)程內(nèi)只有一個(gè)C運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)例，也就是只有一個(gè)內(nèi)存堆。

上述代碼的依賴關(guān)系：

App.exe
  A.dll
  crt.dll

注：用縮進(jìn)表示依賴關(guān)系，crt.dll 表示C運(yùn)行時(shí)庫(kù)，相當(dāng)于linux的 libc.so

A.dll 向 crt.dll 申請(qǐng)內(nèi)存，用完后被 App.exe 再歸還給 crt.dll，這樣沒(méi)問(wèn)題。

但是當(dāng)進(jìn)程內(nèi)里有多個(gè)內(nèi)存堆時(shí)，情況就不一樣了。

(2) 多內(nèi)存堆

當(dāng)進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)C運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)例時(shí)，就會(huì)有多個(gè)內(nèi)存堆實(shí)例。

比如在Windows平臺(tái)，A.dll 設(shè)置 /MT 選項(xiàng)，即靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，主程序默認(rèn)/MD選項(xiàng)，即動(dòng)態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)。

這時(shí)的依賴關(guān)系：

App.exe
  A.dll (靜態(tài)鏈接crt)
  crt.dll

這種場(chǎng)景下，A.dll 會(huì)從自己的內(nèi)存堆中分配內(nèi)存，用完后被 App.exe 歸還給了 crt.dll 的內(nèi)存堆，這樣就引起了內(nèi)存堆的結(jié)構(gòu)異常，出現(xiàn)crash。

(3) 隱藏更深的情況

下面再看一種隱藏更深的情況，工作中更為常見(jiàn)。

動(dòng)態(tài)庫(kù) A 導(dǎo)出一個(gè)接口：

void GetData(std::string &data) {
  data = "Hello World!";  // 這句賦值內(nèi)部，string會(huì)分配內(nèi)存
}

在主程序或另一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)中，調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù) A 的接口：

void Test() {
  std::string data;
  GetData(data);
  // data析構(gòu)，釋放string內(nèi)部之前分配的內(nèi)存，導(dǎo)致crash
}

上述代碼在靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)crash。

這里crash的本質(zhì)，其實(shí)和前面一樣的，即一個(gè)模塊的分配的內(nèi)存，交給了另一個(gè)模塊釋放。

除此之外，這個(gè)代碼，還有另一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)，即如果兩個(gè)模塊使用了不同的編譯器或C++庫(kù)（比如一個(gè)使用GCC編譯，一個(gè)使用LLVM編譯），就可能會(huì)出現(xiàn)string的內(nèi)存結(jié)構(gòu)不一致而異常。

(4) 其它情況

在進(jìn)程內(nèi)有多C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)例時(shí)，還有一些其它有問(wèn)題的情況，比如跨模塊傳遞文件指針、跨模塊傳遞環(huán)境變量等。

比如：

// 動(dòng)態(tài)庫(kù)導(dǎo)出該接口
void WriteData(FILE *file) {
  fwrite(...);
  fclose(file);
}

// 主程序里
int main() {
  FILE *file = fopen(...);
  WriteData(file);
  return 0;
}

(5) 總結(jié)一下

運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多實(shí)例，是由靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)引起。在這種多實(shí)例場(chǎng)景下，一些不太好的代碼寫(xiě)法，就會(huì)表現(xiàn)出問(wèn)題。

如何避免這些問(wèn)題，建議：

① 作為動(dòng)態(tài)庫(kù)的設(shè)計(jì)者：

盡量做到內(nèi)存「誰(shuí)分配誰(shuí)釋放」的原則
盡量避免庫(kù)間接口傳遞C/C++對(duì)象

這樣將會(huì)有更好的兼容性，即使在進(jìn)程內(nèi)有多個(gè)C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)時(shí)，也不會(huì)有問(wèn)題。

② 作為App的總體設(shè)計(jì)者：

盡量保證進(jìn)程內(nèi)只有一份C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)實(shí)例

這樣也是會(huì)有更好的兼容性，能避免很多潛在問(wèn)題。

如果用生活中的例子來(lái)類比，多運(yùn)行時(shí)庫(kù)，就相當(dāng)于一個(gè)公司對(duì)接了多個(gè)銀行，某個(gè)部門(mén)從 A 銀行借來(lái)的錢(qián)，被另一個(gè)部門(mén)還給了 B 銀行，這樣就引起了問(wèn)題。

解決方法就是誰(shuí)借的錢(qián)，誰(shuí)來(lái)還，另外就是一個(gè)公司盡量只對(duì)接一個(gè)銀行。

關(guān)于運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多實(shí)例，幸運(yùn)的是，大部分平臺(tái)的編譯器，已經(jīng)幫我們規(guī)避了可能會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行時(shí)庫(kù)多實(shí)例的問(wèn)題。

我簡(jiǎn)單測(cè)了一下：

Linux平臺(tái)：對(duì)于主程序和動(dòng)態(tài)庫(kù)，都默認(rèn)動(dòng)態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，主程序允許靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)（方法是 -static 選項(xiàng)），動(dòng)態(tài)庫(kù)不支持靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)。
Windows平臺(tái)：對(duì)于主程序和動(dòng)態(tài)庫(kù)，都支持動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)。
iOS和macOS平臺(tái)：不支持靜態(tài)鏈接C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)。
Android平臺(tái)：動(dòng)態(tài)庫(kù)支持動(dòng)態(tài)或靜態(tài)鏈接C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，默認(rèn)靜態(tài)鏈接，這可能導(dǎo)致風(fēng)險(xiǎn)，官方文檔提供了說(shuō)明。

所以總結(jié)來(lái)看，這個(gè)問(wèn)題主要是在Windows和Android平臺(tái)可能會(huì)出現(xiàn)，其它平臺(tái)編譯器不提供這種設(shè)置（特殊方法除外，比如自己開(kāi)發(fā)一個(gè)運(yùn)行時(shí)庫(kù)并靜態(tài)鏈接）。

如果你是做Windows和Android平臺(tái)開(kāi)發(fā)，或者做跨平臺(tái)開(kāi)發(fā)，涉及到這兩個(gè)平臺(tái)，就必須考慮運(yùn)行時(shí)庫(kù)多實(shí)例問(wèn)題，否則就可以不用太操心這個(gè)問(wèn)題，編譯器已經(jīng)防止了你犯錯(cuò)。

2. 運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多版本問(wèn)題

最后這一部分，簡(jiǎn)單說(shuō)說(shuō)運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多版本問(wèn)題。

和我們自己開(kāi)發(fā)的軟件或庫(kù)，會(huì)不斷升級(jí)，會(huì)有多個(gè)版本一樣，C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，也是在不斷升級(jí)，有很多個(gè)版本。

運(yùn)行時(shí)庫(kù)的多版本，會(huì)引起兩個(gè)問(wèn)題：

編譯時(shí)用的庫(kù)，和運(yùn)行時(shí)用的庫(kù)，版本不一致
編譯同一個(gè)App的多個(gè)部分，用的庫(kù)版本不一致

后者在開(kāi)發(fā)一些大型項(xiàng)目，不同模塊分屬不同團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)時(shí)，更容易出現(xiàn)。

這種不一致，可能會(huì)引起不匹配，從而產(chǎn)生各種問(wèn)題。

(1) 問(wèn)題現(xiàn)象

有些是在鏈接時(shí)不通過(guò)，提示符號(hào)沖突或找不到。比如：

undefined reference to `std::string::operator=(std::string const&)'
undefined reference to `std::ostream::operator<<(std::ostream& (*)(std::ostream&))'

（也有可能是設(shè)置不統(tǒng)一引起）

有些是在啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)態(tài)庫(kù)加載器檢測(cè)出異常，提示缺少符號(hào)，比如：

./test: /lib64/libstdc++.so.6: version `CXXABI_1.3.9' not found (required by ./test)
./test: /lib64/libstdc++.so.6: version `GLIBCXX_3.4.21' not found (required by ./test)
./test: /lib64/libstdc++.so.6: version `GLIBCXX_3.4.22' not found (required by ./test)

有些是啟動(dòng)時(shí)沒(méi)檢測(cè)出異常，而在運(yùn)行時(shí)會(huì)有莫名其妙的問(wèn)題。

(2) 解決方法

解決的方法，無(wú)它，只能是盡量保證一致，包括：

編譯各模塊時(shí)，用的開(kāi)發(fā)環(huán)境（包括編譯器版本+運(yùn)行時(shí)庫(kù)版本+參數(shù)設(shè)置）一致。
運(yùn)行時(shí)和編譯時(shí)的庫(kù)環(huán)境一致。

具體怎么保持一致，有如下一些方法：

① 靜態(tài)鏈接

即不再依賴環(huán)境中的C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，用體積換取少依賴。這個(gè)在Windows平臺(tái)較常用，Android平臺(tái)在只有一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，官方也推薦靜態(tài)鏈接。

② 開(kāi)發(fā)環(huán)境多版本共存時(shí)

選擇其中一個(gè)編譯器和C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)版本。比如在Windows平臺(tái)選擇工具集（v142/v143等），Linux平臺(tái)通過(guò)環(huán)境變量選擇GCC版本、Android平臺(tái)環(huán)境變量選擇NDK版本（r23/r25等）。

③ 運(yùn)行環(huán)境多版本共存時(shí)

通過(guò)指定搜索路徑選擇其中一個(gè)版本。比如Linux平臺(tái)在二進(jìn)制中指定（rpath）、環(huán)境變量指定（LD_LIBRARY_PATH）。

④ Docker

Linux平臺(tái)常用，即運(yùn)行時(shí)提供一個(gè)隔離的干凈的環(huán)境。

五、總結(jié)

本文介紹了什么是C/C++運(yùn)行時(shí)庫(kù)，運(yùn)行時(shí)庫(kù)的主要的功能，各平臺(tái)的存在形式，以及開(kāi)發(fā)要注意的問(wèn)題，包括多實(shí)例問(wèn)題和多版本問(wèn)題等。遵守一些開(kāi)發(fā)原則，以及保證運(yùn)行時(shí)庫(kù)單實(shí)例、開(kāi)發(fā)和運(yùn)行環(huán)境的一致，可以避免很多潛在問(wèn)題。

責(zé)任編輯：趙寧寧來(lái)源：騰訊技術(shù)工程