C语言标准头的使用

每个标准库函数都会被声明在一个或多个标准头（standard header）中。这些标准头也包括了 C 语言标准提供的所有宏和类型的定义。

每个标准头都包含一组相关的函数声明、宏和类型定义。例如，数学函数声明在头文件 math.h 中。标准头也称之为头文件（header file），因为每个标准头内容通常被存储在一个文件中。然而，严格来说，C 语言标准并没有强制要求将标准头组织成文件。

C 标准定义了以下 29 个头文件（其中有星号标识的是 C11 新增的）：

assert.h	inttypes.h	signal.h	stdint.h
threads.h*	complex.h	iso646.h	stdalign.h*
stdio.h	time.h	ctype.h	limits.h
stdarg.h	stdlib.h	uchar.h*	errno.h
locale.h	stdatomic.h*	stdnoreturn.h*	wchar.h
fenv.h	math.h	stdbool.h	string.h
wctype.h	float.h	setjmp.h	stddef.h
gmath.h

头文件 complex.h、stdatomic.h 和 threads.h 是可选的。有一些 C11 实现版本可以定义一些标准宏，以指示该版本不包括前述可选的头文件。这里，如果宏 __STDC_NO_COMPLEX__、宏 __STDC_NO_ATOMICS__，或宏 __STDC_NO_THREADS__ 被定义为值 1，则该实现版本就没有包括这些宏所对应的可选头文件。

通过 #include 命令，可以把一个标准头文件内容插入到一个源代码文件中。其中 #include 命令必须放在所有函数的外面。你可以以任意顺序包含多个标准头文件。然而，在针对某个头文件使用 #include 命令之前，程序不可以定义任何与该头文件内标识符相同的宏名称。为了确保程序符合该条件，总是在源代码开始的地方，首先包含所需的标准头文件，然后再包含自己定义的头文件。

运行环境

C 程序只会在两种运行环境中执行：宿主（hosted）环境或独立（freestanding）环境。大多数程序在宿主环境中执行：也就是说，在操作系统的控制和支持之下执行。在宿主环境中，可以使用标准库的全部功能。而且，为宿主环境编译的程序必须定义 main（）函数，它是程序启动后第一个执行的函数。

为独立环境设计的程序，执行时不会获得操作系统的支持。在独立环境中，由所使用的实现版本自身决定程序启动后第一个执行的函数是什么。独立环境的程序无法使用复数浮点类型，并且只能使用下面的头文件：

float.h	stdalign.h	stddef.h
iso646.h	stdarg.h	stdint.h
limits.h	stdbool.h	stdnoreturn.h

特定的实现版本可能还提供另外的标准库资源。

函数和宏的调用

所有的标准函数都有外部链接。因此，你可以通过在自己的程序中声明标准库函数来使用它们，而不需要包含对应的头文件。然而，如果标准函数需要头文件中定义的某个类型，那么必须包含对应的头文件。

标准库的函数不一定确保可重入（reentrant）。也就是说，在一个进程中两次调用同一个函数并行执行可能是不安全的行为。之所以制定该规则，其中一个原因是：部分标准函数会使用和修改同一个静态变量或线程变量。

因此，你不能在信号处理进程（signal handling rountine）中调用标准库函数。信号是异步的，也就是说，程序可能在任何时候收到信号，甚至是正在执行标准库函数时。当发生这种情况时，如果信号处理器再调用的标准函数与正在执行的是同一个，那么该函数则必须是可重入的。由各个实现版本自行决定哪些函数可重入，或者是否需要对所有标准库提供可重入版本。

大部分标准库函数（除了一些显式指定的函数）都是线程安全的（thread-safe），意思是它们可以“同时”被几个线程安全地执行。换句话说，标准函数必须这样实现：当多个线程调用它们时，所有它们使用的内部对象都不会造成数据竞争。尤其是它们在不能确保同步性的前提下，不得使用静态对象。然而，作为程序员，需要协调好不同线程对函数参数直接或间接引用对象的访问。

在执行操作前，每个流都具有一个相应的锁，I/O 链接库中的函数使用该锁以获得对这个流的独占访问权限。在这种方式下，当几个线程访问同一个给定的流时，标准库函数防止了数据竞争。

程序员要保障调用函数和类函数宏时，传入有效的参数。错误的参数会造成严重的运行错误。需要避免的典型错误包括：

(1) 参数值超出函数的值域，如下例所示：

double x = -1.0, y = sqrt(x)

(2) 指针参数没有指向一个对象或函数，相当于使用一个未经初始化的指针参数进行函数调用，如下例所示：

char *msg;  strcpy( msg, "eror" );

(3) 参数类型不符合可选参数函数的类型要求。在下面的示例中，转换修饰符%f调用时需要一个浮点型指针参数，但 &x 是一个 double 指针：

double x;   canf( "%f", &x );

(4) 数组地址参数所指向的数组不够大，不足以容纳该函数所要写入的数据。如下例所示：

char name[] = "Hi "; strcat( name, "Alice" );

标准库中的宏充分利用了括号，所以可以像使用一般标识符一样在表达式中使用这些标准宏。而且，标准库中每个类函数宏都只会使用其参数一次。这意味着，可以像调用普通函数一样调用这些宏，即便把具有副作用的表达式作为这些类函数宏的参数也可以。如下例所示：

int c = 'A';
while ( c <= 'Z' ) putchar( c++ );           // 输出：'ABC… XYZ'

标准库函数可能同时以宏和函数方式实现。如果这样的话，对于一个给定的函数名，同一个头文件中会包含一个函数原型和一个宏定义。因此，在包含该头文件之后，每次使用该函数名都会调用宏。下面的例子调用宏或函数 toupper（）把小写字母转换为大写字母：

#include <ctype.h>
/* ... */
  c = toupper(c);                       // 调用宏toupper()，如果存在的话

然而，如果指定需要调用一个函数，而不是同名的宏，可以利用 #undef 命令取消宏定义：

#include <ctype.h>
#undef toupper                  // 移除任何同名的宏定义
/* ... */
  c = toupper(c)                        // 调用函数toupper()

把名称放在括号内，也可以调用函数而非宏：

#include <ctype.h>
/* ... */
  c = (toupper)(c)                      // 调用函数toupper()

最后的一个做法，你可以忽略包含宏定义的头文件，直接在源代码文件中明确声明该函数：

extern int toupper(int);
/* ... */
  c = toupper(c)                        // 调用函数toupper()

保留的标识符

在程序中选择标识符使用时应特别注意，必须知道哪些标识符被保留给标准库使用。保留的标识符包括：

(1) 所有以下划线开始后面接着第二个下划线或者大写字母的标识符，均被保留。因此不能使用诸如 _x 或 _Max 形式的标识符，甚至不能作为局部变量或标签。

(2) 以下划线开始，但不符合上一点的所有其他标识符，都被保留为文件。因此，不能使用诸如 _a_ 形式标识符作为函数名或全局变量名，但是可以作为参数、局部变量和标签名称。结构成员和联合成员也可以使用下划线开头的名称作为标识符，但第二个字符不可以是下划线或大写字母。

(3) 在标准头文件中被声明为外部链接的标识符，被保留为外部链接标识符。这类标识符包括函数名以及全局变量名，例如 errno。虽然无法把这些外部链接标识符声明为自己的函数或对象名称，但是可以用于其他目的。例如，在一个没有包含 string.h 的源文件内，可以定义一个名为 strcpy（）的静态函数。

(4) 在所包含的头文件中定义的所有宏标识符，都是被保留的。

(5) 在标准头文件中被声明为文件的标识符，在它们自身命名空间范围内，是被保留的。一旦在源文件中包含一个头文件，在同一个命名空间中，不能将在该头文件中声明为文件的标识符用作其他目的，或作为宏名称。

虽然这里所列出的一些条件有“漏洞”，允许在某些命名空间或配合静态链接重复使用某些标识符，但是标识符过多重用很容易造成混淆，通常最安全的方式是完全规避标准头文件中的标识符。

在下面的各节中，为了未来 C 标准的扩充，我们也会列出一些被保留的标识符。前面列表中的最后三点也适用于这些保留的标识符。