【连接 1】与静态连接库连接

本文内容基于《CSAPP》第7章，只是符号解析的一部分，从使用的角度阐述了静态库的由来和使用，仅仅是我的看法，可能从编译的角度看有不严谨的地方，如发现错误，还请指正，谢谢！

1 静态库

首先咱们要知道，连接器将一组可重定位目标文件连接起来能够组成一个可执行文件，如

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

但对于一些基础的操做，如C标准库中提供的printf、scanf、rand等一些列经常使用的函数，若是每次编译，咱们都要操做带有这些函数的可重定位目标文件，那么一次简单的编译过程就会变成下面这样：

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

这样一来，不只每次都要编写冗长的命令行，并且程序员还必须维护一个包含所需的源文件或目标文件的文件夹。

但实际上，咱们在编译咱们的程序时，并无考虑过这样的问题，对于一个仅仅使用了标准库中函数的源文件而言，也并不须要程序员手动的进行额外的连接操做。如对于下面main.c这个源文件而言，

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

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

咱们只须要简单的执行

$ gcc -o a.out main.c

这是由于，标准库中的函数都被编译成了独立的目标模块，而后相关模块会被封装成一个单独的静态库文件，如libc.a包含了C标准库中的标准I/O、字符串操做等函数，libm.a包含了C标准库中的整数数学函数，在执行连接操做时，编译器的驱动程序会将这些标准静态库传送给连接器，连接器会从中选择适当的模块同咱们本身编写的目标模块(main.o)连接起来获得可执行文件。

在Linux系统中，静态库以一种称为存档(archive)的文件格式存储，后缀名.a，它由一个头和一系列的目标模块构成，头负责描述每一个成员目标模块的位置和大小。

2 使用静态库

既然有标准库，那咱们也能够把本身编写的函数、全局变量、宏等封装成静态库。

例如咱们实现两个自定义的整型操做函数，分别定义在下面两个源文件中，

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

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

建立静态库须要使用AR工具，使用如下命令：

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

如此便获得了一个静态库libcal.a，在源文件中引用，便可使用静态库中定义的符号(非static函数、全局变量等)。

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

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

编译该源文件，

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

或者等价地使用，

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

连接器运行时，它就会断定main2.o引用了add.o定义的add符号，因此复制add.o到可执行文件，此外，他也会从/usr/lib/libc.a中复制printf所在的目标文件到可执行文件。

3 连接器如何使用静态库来解析引用

命令行上库和目标文件的顺序很是重要，若是咱们对上一条命令作一些小小的改动，使之变为

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

这条命令的执行就会报错“undefined reference to 'add'”，之因此出现这样的状况，是连接器解析外部引用的方式致使的。

连接器是按照命令行上从左到右的顺序来扫描文件的，在扫描文件时，连接器会维护三个集合：E（这个集合中的文件会被合并起来造成可执行文件）、U（未解析的符号）以及D（在前面输入文件中已定义的符号集合），三个集合初始为空。

• 对于命令行上的每一个文件f，连接器会首先判断这一文件是目标文件仍是静态库文件。若该文件是一个目标文件，则放入E中，并修改U和D来反映f中的符号定义和引用。
• 但若是f是一个静态库文件，那么连接器就试图对U中未解析的符号和f的成员所定义的符号进行匹配。若是f中的某一成员m定义了一个符号来解析U中的一个引用，那么就将m加入E中，再相应地修改U和D中的内容来反映m中的符号定义和引用，对f中的全部成员逐个进行匹配操做直至U和D再也不发生变化，链接器便开始处理下一个文件。
• 当连接器扫描完全部命令行中的文件后，若U是空的，那么链接及就会合并和重定位E中的文件，获得一个可执行文件；不然，连接器就会报错并终止。

如今，是否是理解了上面的错误了呢，连接器扫描到libcal.a时，U中尚是空的，故直接继续扫描后面的main2.o，而后，main2.o中的add符号未解析，被加入到U中，随后，结束扫描，U中非空，连接器报错。

须要注意的是，库和库之间也可能存在依赖关系，故使用多个库时要注意其前后顺序，若存在相互依赖的关系，则能够选择在命令行上重复库，以下面一条命令中，libx.a调用了liby.a中的函数，liby.a又调用了libx.a中的函数，

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

固然，把二者合并为单独的一个静态库也不失为一种好方法。