gcc 链接器工作原理

问题

在编译源代码为可执行文件的时候,如果需要链接静态库,我们可能会遇到如下错误提示:

: In function 'main' // 或者其他函数名
(.text+0x7): undefined reference to "foo" // 或其他变量名

编译出现了失败,提示找不到某些函数或变量的定义。但经过仔细检查核对,发现我们已经在编译命令中,提供了完整的库名称和库路径,因此找不到问题出在哪里

原因分析

出现这种问题的原因,很可能是在于静态库之间存在相互依赖,以及链接器的工作方式与我们预期不同造成的,在找出解决办法前,我们可以先了解一下编译器的工作流程

编译及链接流程

假设我们的编译命令如下,

gcc f.c libx.a liby.a libz.a

编译

编译器检查命令行中列出的文件,如果发现有 .c 文件,先将所有 .c 的文件翻译成 .o 文件,确保最后只剩下 .o 文件和 .a 文件

链接

链接器出场,从左到右开始扫描,进行符号解析工作

1. 建立三个空的集合

E 空文件集合:放入该集合中的文件,后续将用于合成最终的可执行文件;
U 空符号集合:用来存放在当前目标文件中引用,但没有定义的符号;
D 空符号集合:用来存放 E 集合的文件中那些已经定义的符号

注:E\U\D,此处分别表示 Empty, Undefined, Defined

2. 从左到右依次扫描每一个文件

假设当前扫描到的第一个文件为 f

如果 f 是一个 .o 结尾的目标文件

将 f 放入 E 文件集合中
将 f 文件中定义的符号添加到 D 符号集合中
将 f 文件中引用却未定义的符号,添加到 U 符号集合中;

如果 f 是一个 .a 结尾的存档文件

注:存档文件即静态库文件,它由一个或多个目标文件做为成员打包组成的,假设 f 中的第一个目标文件叫 m

第一步:匹配

检查 U 集合中未定义的符号是否在 m 的符号表中

如果没有
  • 抛弃 m,继续扫描 f 中的下一个成员文件;
如果有
  • 将 m 加入 E 集合中;
  • 将 m 中定义的符号添加到 D 符号集合中
  • 将 m 中引用却未定义的符号,添加到 U 符号集合中;
第二步:重复

继续扫描 f 中的下一个成员文件,重复上一步的匹配过程,直到 U 和 D 都不再发生变化;

第三步:筛选

将所有在 f 中但却不包含在 E 集合中的目标文件成员,抛弃;

3. 重复上一步,直到扫描完所有的输入文件

4. 检查 U 符号集合

如果 U 非空,则抛出错误,表示存在未定义的引用,并终止;
如果 U 为空,则合并和重定位 E 文件集合中的所有目标文件,生成最终的可执行文件,成功;

问题解决思路

在了解了编译器工作的流程后,我们会发现,当我们有多个静态库需要链接时,如果这些静态库之间存在依赖关系时,则对静态库的放置顺序是有要求的,即被依赖的库必须放置在依赖者的后面,否则链接器就会找不到未定义的符号;
例如 x.a 中引用了 y.a 中定义的函数,则 x.a 必须放置在 y.a 的前面,即正确的顺序应为

gcc main.c libx.a liby.a

库的顺序规则

  1. 惯例:将所有库文件放在命令行的末尾,即在所有 .c 和 .o 文件的后面
  2. 如果所有库之间相互独立,那么天下太平,正常编译,回家睡觉
  3. 如果所有库之间存在引用,那么需要排列这些库的顺序
  • 确保被引用的库排在引用者的后面
  • 如果二者相互引用,则需要重复输入库名
    例如:假设 foo 引用 x 库,x 库引用了 y 库,y 库又引用了 x 库,即
    foo -> x -> y -> x,那么编译命令的顺序如下,其中 x 库需要输入两次
gcc foo.c libx.a liby.a libx.a
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