1.2    Die C-Standardbibliothek

Auch wenn dieses Buch wie schon gesagt keine Referenz für die Standardbibliothek enthält, sollten Sie dennoch ihren Sinn kennen, denn so haben Sie es später leichter. Der Sprachkern von C bietet nämlich keinerlei erweiterte Funktionen. Dies zu verschweigen, könnte zu Irritationen führen, die wir Ihnen natürlich ersparen wollen. Weil C so kompakt wie möglich sein soll, bietet der Sprachkern – im Gegensatz zu mancher anderen Programmiersprache – nicht einmal eine direkte Unterstützung für die Ein- und Ausgabe über die Tastatur oder den Bildschirm! Hierzu werden extra Module von der Standardbibliothek angeboten. In welchem Umfang die Standardbibliothek vorhanden sein muss, hängt von Ihrer Umgebung ab. So bietet z. B. der C-Compiler für einen Mikrocontroller wie den Arduino keine direkte Anbindung an externe Bildschirme, der GCC-Compiler für Linux hingegen schon.

Bei einer betriebssystemgestützten Implementierung, mit der es wohl die meisten von Ihnen beim Erlernen der Sprache C zunächst zu tun haben, muss die C-Standardbibliothek in vollem Umfang vorhanden sein, wenn ein Compiler sich als standardkonform bezeichnen will. Die betriebssystemgestützte Implementierung wird auch als Hosted Environment bezeichnet. Das Betriebssystem wird oft als Host (Gast) bezeichnet, von dem sich der C-Compiler Funktionen – wie z. B. die Zeicheneingabe über die Tastatur – leiht. Was ein Compiler ist und wie er funktioniert, erklären wir natürlich ebenfalls.

Wenn Sie C im Embedded-Bereich verwenden, haben Sie es in der Regel mit einer sogenannten freistehenden Implementierung zu tun. Diese Form der Umgebung muss nur einen bestimmten Teil der Standardbibliothek anbieten, damit sie als standardkonform bezeichnet werden kann. Die freistehende Implementierung bzw. freistehende Umgebung wird auch als Freestanding Environment bezeichnet. Eine solche Umgebung ist beispielsweise die Arduino-IDE. In diesem Buch werden wir natürlich nicht auf den Arduino oder andere Mikrocontroller eingehen; zu ihnen gibt es gesonderte Literatur. Dennoch können Sie, wenn Sie C auf Ihrem PC lernen, nach ein wenig Üben auch C-Programme für den Arduino erstellen.

1.2.1    Header-Dateien und Programmbibliothek

Der Aufbau der Standardbibliothek bleibt Ihnen beim Entwickeln häufig verborgen. Dies ist auch gut so, denn Sie wollen ja schließlich nicht stets den ganzen Quellcode von stdio.h sehen müssen, wenn Sie nur »Hallo Welt« auf dem Bildschirm ausgeben wollen. stdio.h ist die Header-Datei aus der Standardbibliothek, die für die Bildschirmausgabe gebraucht wird. Header-Dateien werden in den folgenden Kapiteln noch ausführlich besprochen. An dieser Stelle ist es uns nur wichtig, dass Sie verstehen, dass die C-Bibliothek aus vielen unterschiedlichen Modulen besteht, die Sie bei Bedarf per Hand hinzufügen können.

In den kommenden Programmen werden Sie bei jedem Beispiel sogenannte Header-Dateien mit der Dateiendung *.h hinzufügen. In diesen Header-Dateien werden unter anderem fertige Funktionen angeboten, die im weiteren Verlauf verwendet werden können, wenn die Header-Datei eingebunden wurde. Somit müssen Sie viele Funktionen nicht selbst programmieren, sondern können diese schlicht mit einer einzigen Programmzeile aufrufen. Wie Sie Funktionen aufrufen und Parameter an sie übergeben (und natürlich, was Parameter sind), ist auch Thema dieses Buches.

Der tatsächliche Inhalt bzw. die Implementation der Funktionen ist in die Programmbibliothek ausgelagert. Genau deshalb müssen Sie den entsprechenden Quellcode auch nicht sehen, wenn Sie dies nicht wollen. Der Quellcode oder Quelltext bezeichnet das C-Programm, und zwar genau so, wie Sie es eingegeben haben.

Bei Header-Dateien und der Programmbibliothek handelt es sich also um zwei unterschiedliche Dinge: Meistens sind Header-Dateien separate einzelne Dateien, deren Namensgebung vom Standard vorgegeben wird. Die Implementierung der Programmbibliothek wird hingegen in der Regel vom Compiler-Hersteller verwaltet und kann daher variieren. Manchmal gibt es auch zusätzliche Bibliotheken, die über die Standardbibliothek hinausgehen, wie z. B. die Windows-API. Die Windows-API wurde von Microsoft entwickelt, um Standardfunktionen von Windows (wie z. B. das Verwalten von Fenstern) für jeden Anwendungsentwickler verfügbar zu machen. Unter Linux ist z. B. das GTK-Toolkit ein Beispiel für über den Standard hinausgehende Bibliotheken für sogenannte GUI-Anwendungen. GUI ist die Abkürzung für Graphic User Interface und bezeichnet allgemein eine grafische Benutzeroberfläche mit Fenstern und Symbolen.

Übersicht über die Header-Dateien

In Tabelle 1.1 finden Sie einen Überblick über die verschiedenen Header-Dateien, die Ihnen seit C11 zur Verfügung stehen. Da es wohl immer noch Compiler gibt, in die der C11-Standard nur teilweise bis gar nicht implementiert wurde, sehen Sie auch, ab welchem Standard die entsprechende Header-Datei der Standardbibliothek vorhanden ist.

Header-Datei (* = veraltet, wird evtl. später entfernt oder ergänzt.)	Verfügbar seit Standard	Bedeutung
<assert.h>	C89/C90	Assertions; Fehlersuche
<complex.h> *	C99	komplexe Zahlenarithmetik
<ctype.h>	C89/C90	Test auf bestimmte Zeichentypen
<errno.h>	C89/C90	Makros mit Fehlercodes
<fenv.h>	C99	Einstellungen für die Gleitkommaberechnungen
<float.h> *	C89/C90	Limits und Funktionen für Gleitkommazahlen
<inttypes.h> *	C99	Konvertierungsfunktionen für Ganzzahltypen
<iso646.h> *	C95/NA1	alternative Schreibweise für logische und bitweise Operatoren
<limits.h> *	C89/C90	Größe eingebauter Typen
<locale.h>	C89/C90	Einstellungen des Gebietsschemas
<math.h>	C89/C90	mathematische Funktionen
<setjmp.h> *	C89/C90	nicht lokale Sprünge
<signal.h>	C89/C90	Signalverarbeitung
<stdalign.h>	C11	Makros für Speicherausrichtung
<stdarg.h>	C89/C90	variable Anzahl von Argumenten
<stdatomic.h>	C11	Typen für atomare Operationen für Threads
<stdbool.h> *	C99	boolesche Variablen
<stddef.h> *	C89/C90	zusätzliche Typdefinitionen
<stdint.h> *	C99	Ganzzahltypen mit fester Breite
<stdio.h>	C89/C90	Ein-/Ausgabe
<stdlib.h>	C89/C90	allgemeine Standardfunktionen
<stdnoreturn.h>	C11	Definition des No-return-Makros
<string.h>	C89/C90	Funktionen für Zeichenketten
<tgmath.h>	C99	typgenerische Makros für mathematische Funktionen
<threads.h>	C11	Unterstützung von Multithreading
<time.h>	C89/C90	Datum und Uhrzeit
<uchar.h>	C11	Unterstützung von Unicode-Zeichen (UTF-16- und UTF-32-kodiert)
<wchar.h>	C95/NA1	Unterstützung für Unicode-Zeichen
<wctype.h>	C95/NA1	wie <ctype.h>, nur für Unicode

Tabelle 1.1     Die Header-Dateien der C-Standardbibliothek