C靜態庫連接的順序問題
C語言的靜態連接，簡單的說就是將編譯得到的目標文件.o(.obj)，打包在一起，並修改目標文件中函數調用地址偏移量的過程。當在大一點的項目中，可能會遇到連接時，由於靜態庫在鏈接器命令行中出現順序的問題，造成undefined reference錯誤。本文深入探討一下這個問題，以及如何解決。
作者：P_Chou來源：segmentfault|2016-09-19 10:54
C語言的靜態連接，簡單的說就是將編譯得到的目標文件.o(.obj)，打包在一起，並修改目標文件中函數調用地址偏移量的過程。當在大一點的項目中，可能會遇到連接時，由於靜態庫在鏈接器命令行中出現順序的問題，造成undefined reference錯誤。本文深入探討一下這個問題，以及如何解決。
問題
如下圖。假設有這麼一個場景，在我們的構建系統中，構建了一個兩個靜態庫文件liba.a和libb.a，其中liba.a包含兩個目標文件a1.o和a2.o，而libb.a包含一個目標文件b1.o。希望將main.o靜態連接liba.a和libb.a。
注意到黃色的箭頭表示調用關係：b1.o需要調用a1.o中的某函數，而main.o調用了a2.o和b1.o中的函數。你可以把.o文件理解爲對應的.c文件。
那麼如下的兩個命令哪個會成功執行呢?注意到這兩個命令唯一的區別是對liba.a和libb.a的書寫順序
- # gcc -o a.out main.o liba.a libb.a
- ...undefined reference...
- error: ld returned 1 exit status
- # gcc -o a.out main.o libb.a liba.a
靜態連接的算法
要理解上面這個問題，需要理解鏈接器在處理靜態連接時候的算法。此處的闡述參考《深入理解計算機系統》中的“鏈接”章節。
首先，需要明確的是，鏈接器在考察庫文件(.a)的時候，不是把庫文件看做一個整體，而是將打包在其中的目標文件(.o)作爲考察單元。在整個連接過程中，如果某個目標文件中的符號被用到了，那麼這個目標文件會單獨從庫文件中提取出來，而不會把整個庫文件連接進來。
然後，鏈接器在工作過程中，維護3個集合：需要參與連接的目標文件集合E、一個未解析符號集合U、一個在E中所有目標文件定義過的所有符號集合D。
以上面第一條命令gcc -o a.out main.o liba.a libb.a爲例，我們來一步步看看鏈接器的工作過程：
當輸入main.o後，由於main調用了a2.o和b1.o中的函數，而此時並沒有在D中找到該符號，於是將引用的兩個函數保存在U中，此處假設兩個函數分別爲a2_func和b1_func：
- E U D
- +---------------+---------------+---------------+
- | main.o | a2_func | |
- +---------------+---------------+---------------+
- | | b1_func | |
- +---------------+---------------+---------------+
接下來，輸入liba.a，鏈接器發現，a2_func存在於liba.a的a2.o中，於是將a2.o加入到E，並在D中加入a2.o中所有定義的符號，其中包括a2_func，最後移除U中的a2_func，因爲這個符號已經在a2.o中找到了的。然而，U中還有b1_func，所以連接還沒有完成。
- E U D
- +---------------+---------------+---------------+
- | main.o | | a2_func |
- +---------------+---------------+---------------+
- | a2.o | b1_func | a2_func_other |
- +---------------+---------------+---------------+
接着，輸入libb.a，同理，鏈接器發現b1_func定義在b1.o中，所以在E中加入b1.o，移除U中的b1_func，在D中加入b1.o裏面所有定義的符號
- E U D
- +---------------+---------------+---------------+
- | main.o | | a2_func |
- +---------------+---------------+---------------+
- | a2.o | | a2_func_other |
- +---------------+---------------+---------------+
- | b1.o | | b1_func |
- +---------------+---------------+---------------+
然而，由於b1.o調用到a1.o中的函數，我們假設是a1_func，但在D中並沒有找到這個函數，所以a1_func還需要加入到U中
- E U D
- +---------------+---------------+---------------+
- | main.o | | a2_func |
- +---------------+---------------+---------------+
- | a2.o | | a2_func_other |
- +---------------+---------------+---------------+
- | b1.o | a1_func | b1_func |
- +---------------+---------------+---------------+
但是，輸入結束了!鏈接器發現U中還有未解析的符號，所以報錯了!
可以看到由於鏈接器的算法實現，導致a1.o並沒有被鏈接器考察，所以產生了未解析符號。仔細分析，可以知道，只要將liba.a和libb.a換一下順序，就可以鏈接成功!
解決辦法
一般來說有兩種辦法，一種是仔細分析依賴關係，並按照正確的順序書寫庫文件的引用。原則是被依賴的儘量寫在右邊。但是在有些大型項目中，依賴關係可能並不容易梳理清楚。此時可以在命令行參數中重複對庫文件的引用：
- # gcc -o a.out main.o liba.la libb.la liba.a
在上面的命令中，liba.a重複書寫了兩次。
如果你使用automake，可以用xxx_LIBADD和xxx_LDADD來控制目標文件的引用關係：
- xxx_LIBADD：對於目標文件爲庫文件或可執行文件，需使用這個選項。表示在打包目標庫文件的時候，就將依賴的文件一併打包進來。
- xxx_LDADD：對於可執行文件可用這個選項，來控制鏈接器的參數，如果你能分析清楚依賴關係，可以在這個選項中按照正確的順序書寫，從而成功連接。