【鏈接 1】與靜態鏈接庫鏈接

本文內容基於《CSAPP》第7章，只是符號解析的一部分，從使用的角度闡述了靜態庫的由來和使用，僅僅是個人見解，可能從編譯的角度看有不嚴謹的地方，如發現錯誤，還請指正，謝謝！

1 靜態庫

首先我們要知道，鏈接器將一組可重定位目標文件鏈接起來可以組成一個可執行文件，如

$ ld -o prog ./a.o   ./b.o

但對於一些基礎的操作，如C標準庫中提供的printf、scanf、rand等一些列常用的函數，如果每次編譯，我們都要操作帶有這些函數的可重定位目標文件，那麼一次簡單的編譯過程就會變成下面這樣：

$ gcc -o a.out main.c /usr/lib/printf.o   /usr/lib/scanf.o /usr/lib/rand.o ...

這樣一來，不僅每次都要編寫冗長的命令行，而且程序員還必須維護一個包含所需的源文件或目標文件的文件夾。

但實際上，我們在編譯我們的程序時，並沒有考慮過這樣的問題，對於一個僅僅使用了標準庫中函數的源文件而言，也並不需要程序員手動的進行額外的鏈接操作。如對於下面main.c這個源文件而言，

// main.c
#include<stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello World!");
    return 0;
}

我們只需要簡單的執行

$ gcc -o a.out main.c

這是因為，標準庫中的函數都被編譯成了獨立的目標模塊，然後相關模塊會被封裝成一個單獨的靜態庫文件，如libc.a包含了C標準庫中的標準I/O、字符串操作等函數，libm.a包含了C標準庫中的整數數學函數，在執行鏈接操作時，編譯器的驅動程序會將這些標準靜態庫傳送給鏈接器，鏈接器會從中選擇適當的模塊同我們自己編寫的目標模塊(main.o)鏈接起來得到可執行文件。

在Linux系統中，靜態庫以一種稱為存檔(archive)的文件格式存儲，後綴名.a，它由一個頭和一系列的目標模塊構成，頭負責描述每個成員目標模塊的位置和大小。

2 使用靜態庫

既然有標準庫，那我們也可以把自己編寫的函數、全局變量、宏等封裝成靜態庫。

例如我們實現兩個自定義的整型操作函數，分別定義在下面兩個源文件中，

// add.c
int add(int a, int b){
    return a+b
}

// sub.c
void sub(int a, int b){
    return a-b;
}

創建靜態庫需要使用AR工具，使用以下命令：

$ gcc -c add.c  sub.c
$ ar rcs libcal.a  add.o sub.o

如此便得到了一個靜態庫libcal.a，在源文件中引用，即可使用靜態庫中定義的符號(非static函數、全局變量等)。

// main2.c
#include "cal.h"

int main()
{
    int a = 0, b = 3, c = 0;
    c = add(a, b);
    printf("%d", c);
    return 0;
}

編譯該源文件，

$ gcc -c main2.c
$ gcc -static -o prog2c main2.o

或者等價地使用，

$ gcc -c main2.c
$ gcc -static -o prog2c main2.o -L. -lcal

鏈接器運行時，它就會判定main2.o引用了add.o定義的add符號，所以複製add.o到可執行文件，此外，他也會從/usr/lib/libc.a中複製printf所在的目標文件到可執行文件。

3 鏈接器如何使用靜態庫來解析引用

命令行上庫和目標文件的順序非常重要，如果我們對上一條命令做一些小小的改動，使之變為

$ gcc -static -o prog2c ./libcal.a main2.o

這條命令的執行就會報錯「undefined reference to ‘add’」，之所以出現這樣的情況，是鏈接器解析外部引用的方式導致的。

鏈接器是按照命令行上從左到右的順序來掃描文件的，在掃描文件時，鏈接器會維護三個集合：E（這個集合中的文件會被合併起來形成可執行文件）、U（未解析的符號）以及D（在前面輸入文件中已定義的符號集合），三個集合初始為空。

  • 對於命令行上的每個文件f，鏈接器會首先判斷這一文件是目標文件還是靜態庫文件。若該文件是一個目標文件，則放入E中，並修改U和D來反映f中的符號定義和引用。
  • 但如果f是一個靜態庫文件，那麼鏈接器就試圖對U中未解析的符號和f的成員所定義的符號進行匹配。如果f中的某一成員m定義了一個符號來解析U中的一個引用，那麼就將m加入E中，再相應地修改U和D中的內容來反映m中的符號定義和引用，對f中的所有成員逐個進行匹配操作直至U和D不再發生變化，連接器便開始處理下一個文件。
  • 當鏈接器掃描完所有命令行中的文件後，若U是空的，那麼連接及就會合併和重定位E中的文件，得到一個可執行文件；否則，鏈接器就會報錯並終止。

現在，是不是理解了上面的錯誤了呢，鏈接器掃描到libcal.a時，U中尚是空的，故直接繼續掃描後面的main2.o，然後，main2.o中的add符號未解析，被加入到U中，隨後，結束掃描，U中非空，鏈接器報錯。

需要注意的是，庫和庫之間也可能存在依賴關係，故使用多個庫時要注意其先後順序，若存在相互依賴的關係，則可以選擇在命令行上重複庫，如下面一條命令中，libx.a調用了liby.a中的函數，liby.a又調用了libx.a中的函數，

$ gcc foo.c libx.a liby.a libx.a

當然，把兩者合併為單獨的一個靜態庫也不失為一種好方法。

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