【链接 1】与静态链接库链接_Linux

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，仅仅是个人见解，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

首先我们要知道，链接器将一组可重定位目标文件链接起来可以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作，如C标准库中提供的printf、scanf、rand等一些列常用的函数，如果每次编译，我们都要操作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，不仅每次都要编写冗长的命令行，而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，我们在编译我们的程序时，并没有考虑过这样的问题，对于一个仅仅使用了标准库中函数的源文件而言，也并不需要程序员手动的进行额外的链接操作。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;
}

我们只需要简单的执行

$ gcc -o a.out main.c

这是因为，标准库中的函数都被编译成了独立的目标模块，然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、字符串操作等函数，libm.a包含了C标准库中的整数数学函数，在执行链接操作时，编译器的驱动程序会将这些标准静态库传送给链接器，链接器会从中选择适当的模块同我们自己编写的目标模块(main.o)链接起来得到可执行文件。

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，那我们也可以把自己编写的函数、全局变量、宏等封装成静态库。

例如我们实现两个自定义的整型操作函数，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;
}

创建静态库需要使用AR工具，使用以下命令：

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

如此便得到了一个静态库libcal.a，在源文件中引用，即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

链接器运行时，它就会判定main2.o引用了add.o定义的add符号，所以复制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 链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非常重要，如果我们对上一条命令做一些小小的改动，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’”，之所以出现这样的情况，是链接器解析外部引用的方式导致的。

链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，链接器会维护三个集合：E（这个集合中的文件会被合并起来形成可执行文件）、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。

对于命令行上的每个文件f，链接器会首先判断这一文件是目标文件还是静态库文件。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。
但如果f是一个静态库文件，那么链接器就试图对U中未解析的符号和f的成员所定义的符号进行匹配。如果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中的所有成员逐个进行匹配操作直至U和D不再发生变化，连接器便开始处理下一个文件。
当链接器扫描完所有命令行中的文件后，若U是空的，那么连接及就会合并和重定位E中的文件，得到一个可执行文件；否则，链接器就会报错并终止。

现在，是不是理解了上面的错误了呢，链接器扫描到libcal.a时，U中尚是空的，故直接继续扫描后面的main2.o，然后，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，链接器报错。

需要注意的是，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先后顺序，若存在相互依赖的关系，则可以选择在命令行上重复库，如下面一条命令中，libx.a调用了liby.a中的函数，liby.a又调用了libx.a中的函数，