大家都知道，從C/C++源程序到可執行文件要經(jīng)歷兩個(gè)階段:(1)編譯器將源文件編譯成匯編代碼，然后由匯編器(assembler)翻譯成機器指令(再加上其它相關(guān)信息)后輸出到一個(gè)個(gè)目標文件(object file,VC的編譯器編譯出的目標文件默認的后綴名是.obj)中；(2)鏈接器(linker)將一個(gè)個(gè)的目標文件(或許還會(huì )有若干程序庫)鏈接在一起生成一個(gè)完整的可執行文件。
編譯器編譯源文件時(shí)會(huì )把源文件的全局符號(global symbol)分成強(strong)和弱(weak)兩類(lèi)傳給匯編器，而隨后匯編器則將強弱信息編碼并保存在目標文件的符號表中。那么何謂強弱呢？編譯器認為函數與初始化了的全局變量都是強符號，而未初始化的全局變量則成了弱符號。比如有這么個(gè)源文件:
extern int errorno;
int buf[2] = {1,2};
int *p;
int main()
{
return 0;
}
其中main、buf是強符號，p是弱符號，而errorno則非強非弱，因為它只是個(gè)外部變量的使用聲明。
有了強弱符號的概念，我們就可以看看鏈接器是如何處理與選擇被多次定義過(guò)的全局符號:
規則1: 不允許強符號被多次定義(即不同的目標文件中不能有同名的強符號)；
規則2: 如果一個(gè)符號在某個(gè)目標文件中是強符號，在其它文件中都是弱符號，那么選擇強符號；
規則3: 如果一個(gè)符號在所有目標文件中都是弱符號，那么選擇其中任意一個(gè)；
由上可知多個(gè)目標文件不能重復定義同名的函數與初始化了的全局變量，否則必然導致LNK2005和LNK1169兩種鏈接錯誤?？墒?，有的時(shí)候我們并沒(méi)有在自己的程序中發(fā)現這樣的重定義現象，卻也遇到了此種鏈接錯誤，這又是何解？嗯，問(wèn)題稍微有點(diǎn)兒復雜，容我慢慢道來(lái)。
眾所周知，ANSI C/C++ 定義了相當多的標準函數，而它們又分布在許多不同的目標文件中，如果直接以目標文件的形式提供給程序員使用的話(huà)，就需要他們確切地知道哪個(gè)函數存在于哪個(gè)目標文件中，并且在鏈接時(shí)顯式地指定目標文件名才能成功地生成可執行文件，顯然這是一個(gè)巨大的負擔。所以C語(yǔ)言提供了一種將多個(gè)目標文件打包成一個(gè)文件的機制，這就是靜態(tài)程序庫(static library)。開(kāi)發(fā)者在鏈接時(shí)只需指定程序庫的文件名，鏈接器就會(huì )自動(dòng)到程序庫中尋找那些應用程序確實(shí)用到的目標模塊，并把(且只把)它們從庫中拷貝出來(lái)參與構建可執行文件。幾乎所有的C/C++開(kāi)發(fā)系統都會(huì )把標準函數打包成標準庫提供給開(kāi)發(fā)者使用(有不這么做的嗎？)。
程序庫為開(kāi)發(fā)者帶來(lái)了方便，但同時(shí)也是某些混亂的根源。我們來(lái)看看鏈接器是如何解析(resolve)對程序庫的引用的。
在符號解析(symbol resolution)階段，鏈接器按照所有目標文件和庫文件出現在命令行中的順序從左至右依次掃描它們，在此期間它要維護若干個(gè)集合:(1)集合E是將被合并到一起組成可執行文件的所有目標文件集合；(2)集合U是未解析符號(unresolved symbols，比如已經(jīng)被引用但是還未被定義的符號)的集合；(3)集合D是所有之前已被加入到E的目標文件定義的符號集合。一開(kāi)始，E、U、D都是空的。
(1): 對命令行中的每一個(gè)輸入文件f，鏈接器確定它是目標文件還是庫文件，如果它是目標文件，就把f加入到E，并把f中未解析的符號和已定義的符號分別加入到U、D集合中，然后處理下一個(gè)輸入文件。
(2): 如果f是一個(gè)庫文件，鏈接器會(huì )嘗試把U中的所有未解析符號與f中各目標模塊定義的符號進(jìn)行匹配。如果某個(gè)目標模塊m定義了一個(gè)U中的未解析符號，那么就把m加入到E中，并把m中未解析的符號和已定義的符號分別加入到U、D集合中。不斷地對f中的所有目標模塊重復這個(gè)過(guò)程直至到達一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)(fixed point)，此時(shí)U和D不再變化。而那些未加入到E中的f里的目標模塊就被簡(jiǎn)單地丟棄，鏈接器繼續處理下一輸入文件。
(3): 如果處理過(guò)程中往D加入一個(gè)已存在的符號，或者當掃描完所有輸入文件時(shí)U非空，鏈接器報錯并停止動(dòng)作。否則，它把E中的所有目標文件合并在一起生成可執行文件。
VC帶的編譯器名字叫cl.exe，它有這么幾個(gè)與標準程序庫有關(guān)的選項: /ML、/MLd、/MT、/MTd、/MD、/MDd。這些選項告訴編譯器應用程序想使用什么版本的C標準程序庫。/ML(缺省選項)對應單線(xiàn)程靜態(tài)版的標準程序庫(libc.lib)；/MT對應多線(xiàn)程靜態(tài)版標準庫(libcmt.lib)，此時(shí)編譯器會(huì )自動(dòng)定義_MT宏；/MD對應多線(xiàn)程DLL版(導入庫msvcrt.lib，DLL是msvcrt.dll)，編譯器自動(dòng)定義_MT和_DLL兩個(gè)宏。后面加d的選項都會(huì )讓編譯器自動(dòng)多定義一個(gè)_DEBUG宏，表示要使用對應標準庫的調試版，因此/MLd對應調試版單線(xiàn)程靜態(tài)標準庫(libcd.lib)，/MTd對應調試版多線(xiàn)程靜態(tài)標準庫(libcmtd.lib)，/MDd對應調試版多線(xiàn)程DLL標準庫(導入庫msvcrtd.lib，DLL是msvcrtd.dll)。雖然我們的確在編譯時(shí)明白無(wú)誤地告訴了編譯器應用程序希望使用什么版本的標準庫，可是當編譯器干完了活，輪到鏈接器開(kāi)工時(shí)它又如何得知一個(gè)個(gè)目標文件到底在思念誰(shuí)？為了傳遞相思，我們的編譯器就干了點(diǎn)秘密的勾當。在cl編譯出的目標文件中會(huì )有一個(gè)專(zhuān)門(mén)的區域(關(guān)心這個(gè)區域到底在文件中什么地方的朋友可以參考COFF和PE文件格式)存放一些指導鏈接器如何工作的信息，其中有一種就叫缺省庫(default library)，這些信息指定了一個(gè)或多個(gè)庫文件名，告訴鏈接器在掃描的時(shí)候也把它們加入到輸入文件列表中(當然順序位于在命令行中被指定的輸入文件之后)。說(shuō)到這里，我們先來(lái)做個(gè)小實(shí)驗。寫(xiě)個(gè)頂頂簡(jiǎn)單的程序，然后保存為main.c :
/* main.c */
int main() { return 0; }
用下面這個(gè)命令編譯main.c(什么？你從不用命令行來(lái)編譯程序？這個(gè)......) :
cl /c main.c
/c是告訴cl只編譯源文件，不用鏈接。因為/ML是缺省選項，所以上述命令也相當于: cl /c /ML main.c 。如果沒(méi)什么問(wèn)題的話(huà)(要出了問(wèn)題才是活見(jiàn)鬼！當然除非你的環(huán)境變量沒(méi)有設置好，這時(shí)你應該去VC的bin目錄下找到vcvars32.bat文件然后運行它。)，當前目錄下會(huì )出現一個(gè)main.obj文件，這就是我們可愛(ài)的目標文件。隨便用一個(gè)文本編輯器打開(kāi)它(是的，文本編輯器，大膽地去做別害怕)，搜索"defaultlib"字符串，通常你就會(huì )看到這樣的東西: "-defaultlib:LIBC -defaultlib:OLDNAMES"。啊哈，沒(méi)錯，這就
是保存在目標文件中的缺省庫信息。我們的目標文件顯然指定了兩個(gè)缺省庫，一個(gè)是單線(xiàn)程靜態(tài)版標準庫libc.lib(這與/ML選項相符)，另外一個(gè)是oldnames.lib(它是為了兼容微軟以前的C/C++開(kāi)發(fā)系統)。
VC的鏈接器是link.exe，因為main.obj保存了缺省庫信息，所以可以用
link main.obj libc.lib
或者
link main.obj
來(lái)生成可執行文件main.exe，這兩個(gè)命令是等價(jià)的。但是如果你用
link main.obj libcd.lib
的話(huà)，鏈接器會(huì )給出一個(gè)警告: "warning LNK4098: defaultlib "LIBC" conflicts with use of other libs; use /NODEFAULTLIB:library"，因為你顯式指定的標準庫版本與目標文件的缺省值不一致。通常來(lái)說(shuō)，應該保證鏈接器合并的所有目標文件指定的缺省標準庫版本一致，否則編譯器一定會(huì )給出上面的警告，而LNK2005和LNK1169鏈接錯誤則有時(shí)會(huì )出現有時(shí)不會(huì )。那么這個(gè)有時(shí)到底是什么時(shí)候？呵呵，別著(zhù)急，下面的一切正是為喜歡追根究底的你準備的。
建一個(gè)源文件，就叫mylib.c，內容如下:
/* mylib.c */
#include <stdio.h>
void foo()
{
printf("%s","I am from mylib!\n");
}
用
cl /c /MLd mylib.c
命令編譯，注意/MLd選項是指定libcd.lib為默認標準庫。lib.exe是VC自帶的用于將目標文件打包成程序庫的命令，所以我們可以用
lib /OUT:my.lib mylib.obj
將mylib.obj打包成庫，輸出的庫文件名是my.lib。接下來(lái)把main.c改成:
/* main.c */
void foo();
int main()
{
foo();
return 0;
}
用
cl /c main.c
編譯，然后用
link main.obj my.lib
進(jìn)行鏈接。這個(gè)命令能夠成功地生成main.exe而不會(huì )產(chǎn)生LNK2005和LNK1169鏈接錯誤，你僅僅是得到了一條警告信息:"warning LNK4098: defaultlib "LIBCD" conflicts with use of other libs; use /NODEFAULTLIB:library"。我們根據前文所述的掃描規則來(lái)分析一下鏈接器此時(shí)做了些啥。
一開(kāi)始E、U、D都是空集，鏈接器首先掃描到main.obj，把它加入E集合，同時(shí)把未解析的foo加入U，把main加入D，而且因為main.obj的默認標準庫是libc.lib，所以它被加入到當前輸入文件列表的末尾。接著(zhù)掃描my.lib，因為這是個(gè)庫，所以會(huì )拿當前U中的所有符號(當然現在就一個(gè)foo)與my.lib中的所有目標模塊(當然也只有一個(gè)mylib.obj)依次匹配，看是否有模塊定義了U中的符號。結果mylib.obj確實(shí)定義了foo，于是它被加入到E，foo從U轉移到D，mylib.obj引用的printf加入到U，同樣地，mylib.obj指定的默認標準庫是libcd.lib，它也被加到當前輸入文件列表的末尾(在libc.lib的后面)。不斷地在my.lib庫的各模塊上進(jìn)行迭代以匹配U中的符號，直到U、D都不再變化。很明顯，現在就已經(jīng)到達了這么一個(gè)不動(dòng)點(diǎn)，所以接著(zhù)掃描下一個(gè)輸入文件，就是libc.lib。鏈接器發(fā)現libc.lib里的printf.obj里定義有printf，于是printf從U移到D，而printf.obj被加入到E，它定義的所有符號加入到D，它里頭的未解析符號加入到U。鏈接器還會(huì )把每個(gè)程序都要用到的一些初始化操作所在的目標模塊(比如crt0.obj等)及它們所引用的模塊(比如malloc.obj、free.obj等)自動(dòng)加入到E中，并更新U和D以反應這個(gè)變化。事實(shí)上，標準庫各目標模塊里的未解析符號都可以在庫內其它模塊中找到定義，因此當鏈接器處理完libc.lib時(shí)，U一定是空的。最后處理libcd.lib，因為此時(shí)U已經(jīng)為空，所以鏈接器會(huì )拋棄它里面的所有目標模塊從而結束掃描，然后合并E中的目標模塊并輸出可執行文件。
上文描述了雖然各目標模塊指定了不同版本的缺省標準庫但仍然鏈接成功的例子，接下來(lái)你將目睹因為這種不嚴謹而導致的悲慘失敗。
修改mylib.c成這個(gè)樣子:
#include <crtdbg.h>
void foo()
{
// just a test , don't care memory leak
_malloc_dbg( 1, _NORMAL_BLOCK, __FILE__, __LINE__ );
}
其中_malloc_dbg不是ANSI C的標準庫函數，它是VC標準庫提供的malloc的調試版，與相關(guān)函數配套能幫助開(kāi)發(fā)者抓各種內存錯誤。使用它一定要定義_DEBUG宏，否則預處理器會(huì )把它自動(dòng)轉為malloc。繼續用
cl /c /MLd mylib.c
lib /OUT:my.lib mylib.obj
編譯打包。當再次用
link main.obj my.lib
進(jìn)行鏈接時(shí)，我們看到了什么？天哪，一堆的LNK2005加上個(gè)貴為"fatal error"的LNK1169墊底，當然還少不了那個(gè)LNK4098。鏈接器是不是瘋了？不，你冤枉可憐的鏈接器了，我拍胸脯保證它可是一直在盡心盡責地照章辦事。
一開(kāi)始E、U、D為空，鏈接器掃描main.obj，把它加入E，把foo加入U，把main加入D，把libc.lib加入到當前輸入文件列表的末尾。接著(zhù)掃描my.lib，foo從U轉移到D，_malloc_dbg加入到U，libcd.lib加到當前輸入文件列表的尾部。然后掃描libc.lib，這時(shí)會(huì )發(fā)現libc.lib里任何一個(gè)目標模塊都沒(méi)有定義_malloc_dbg(它只在調試版的標準庫中存在)，所以不會(huì )有任何一個(gè)模塊因為_(kāi)malloc_dbg而加入E，但是每個(gè)程序都要用到的初始化模塊(如crt0.obj等)及它們所引用的模塊(比如malloc.obj、free.obj等)還是會(huì )自動(dòng)加入到E中，同時(shí)U和D被更新以反應這個(gè)變化。當鏈接器處理完libc.lib時(shí)，U只剩_malloc_dbg這一個(gè)符號。最后處理libcd.lib，發(fā)現dbgheap.obj定義了_malloc_dbg，于是dbgheap.obj加入到E，它里頭的未解析符號加入U，它定義的所有其它符號也加入D，這時(shí)災難便來(lái)了。之前malloc等符號已經(jīng)在D中(隨著(zhù)libc.lib里的malloc.obj加入E而加入的)，而dbgheap.obj又定義了包括malloc在內的許多同名符號，這引發(fā)了重定義沖突，鏈接器只好中斷工作并報告錯誤。
現在我們該知道，鏈接器完全沒(méi)有責任，責任在我們自己的身上。是我們粗心地把缺省標準庫版本不一致的目標文件(main.obj)與程序庫(my.lib)鏈接起來(lái)，導致了大災難。解決辦法很簡(jiǎn)單，要么用/MLd選項來(lái)重編譯main.c；要么用/ML選項重編譯mylib.c。
在上述例子中，我們擁有庫my.lib的源代碼(mylib.c)，所以可以用不同的選項重新編譯這些源代碼并再次打包?？扇绻褂玫氖堑谌降膸?，它并沒(méi)有提供源代碼，那么我們就只有改變自己程序的編譯選項來(lái)適應這些庫了。但是如何知道庫中目標模塊指定的默認庫呢？其實(shí)VC提供的一個(gè)小工具便可以完成任務(wù)，這就是dumpbin.exe。運行下面這個(gè)命令
dumpbin /DIRECTIVES my.lib
然后在輸出中找那些"Linker Directives"引導的信息，你一定會(huì )發(fā)現每一處這樣的信息都會(huì )包含若干個(gè)類(lèi)似"-defaultlib:XXXX"這樣的字符串，其中XXXX便代表目標模塊指定的缺省庫名。
知道了第三方庫指定的默認標準庫，再用合適的選項編譯我們的應用程序，就可以避免LNK2005和LNK1169鏈接錯誤。喜歡IDE的朋友，你一樣可以到 "Project屬性" -> "C/C++" -> "代碼生成(code generation)" -> "運行時(shí)庫(run-time library)" 項下設置應用程序的默認標準庫版本，這與命令行選項的效果是一樣的。
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