ทำไมคุณต้องลิงค์ห้องสมุดคณิตศาสตร์ใน C?

หากฉันรวม<stdlib.h>หรือ<stdio.h>อยู่ในโปรแกรม C ฉันไม่จำเป็นต้องเชื่อมโยงสิ่งเหล่านี้เมื่อรวบรวม แต่ฉันต้องเชื่อมโยงกับ<math.h>ใช้-lmกับ gcc ตัวอย่างเช่น:

gcc test.c -o test -lm

อะไรคือสาเหตุของสิ่งนี้? เหตุใดฉันจึงต้องเชื่อมโยงห้องสมุดคณิตศาสตร์อย่างชัดเจน แต่ไม่ใช่ห้องสมุดอื่น

ฟังก์ชั่นในstdlib.hและstdio.hมีการใช้งานในlibc.so(หรือlibc.aสำหรับการเชื่อมโยงแบบคงที่) ซึ่งเชื่อมโยงไปยังปฏิบัติการของคุณโดยค่าเริ่มต้น (ราวกับว่า-lcมีการระบุ) สามารถสั่ง GCC เพื่อหลีกเลี่ยงการเชื่อมโยงอัตโนมัตินี้ด้วย-nostdlibหรือ-nodefaultlibsตัวเลือก

ฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์ในmath.hมีการใช้งานในlibm.so(หรือlibm.aสำหรับการเชื่อมโยงแบบคงที่) และlibmไม่ได้เชื่อมโยงโดยค่าเริ่มต้น มีเหตุผลทางประวัติศาสตร์สำหรับเรื่องนี้libm/ libcแตกไม่มีใครน่าเชื่อถือมาก

น่าสนใจ C ++ runtime libstdc++จำเป็นต้องใช้libmดังนั้นหากคุณรวบรวมโปรแกรม C ++ กับ GCC ( g++) คุณจะได้รับการlibmเชื่อมโยงโดยอัตโนมัติ

โปรดจำไว้ว่า C เป็นภาษาเก่าและ FPU นั้นเป็นปรากฏการณ์ที่ค่อนข้างเร็ว ฉันเห็น C เป็นครั้งแรกในโปรเซสเซอร์ 8 บิตซึ่งเป็นงานที่ต้องทำเลขคณิตจำนวนเต็ม 32 บิต การใช้งานเหล่านี้จำนวนมากไม่ได้มีห้องสมุดคณิตศาสตร์แบบอิงดัชนี!

แม้แต่บนเครื่อง 68000 เครื่องแรก (Mac, Atari ST, Amiga) โปรเซสเซอร์ร่วมจุดลอยตัวมักเป็นอุปกรณ์เสริมที่มีราคาแพง

ในการทำคณิตศาสตร์เลขทศนิยมนั้นคุณต้องมีห้องสมุดขนาดใหญ่พอสมควร และคณิตศาสตร์ก็จะช้า ดังนั้นคุณไม่ค่อยใช้โฟลต คุณพยายามทำทุกอย่างด้วยจำนวนเต็มหรือจำนวนเต็มที่ปรับสัดส่วน เมื่อคุณต้องรวมวิชาคณิตศาสตร์คุณก็ต้องขัดฟัน บ่อยครั้งที่คุณเขียนการประมาณค่าและตารางการค้นหาของคุณเองเพื่อหลีกเลี่ยง

มีการแลกเปลี่ยนกันมาเป็นเวลานาน บางครั้งมีแพ็คเกจคณิตศาสตร์ที่เรียกว่า "fastmath" หรือแบบนั้น ทางออกที่ดีที่สุดสำหรับคณิตศาสตร์คืออะไร? สิ่งที่ถูกต้อง แต่ช้าจริงๆเหรอ? ไม่ถูกต้อง แต่เร็วหรือไม่ ตารางใหญ่สำหรับฟังก์ชั่นตรีโกณฯ ? มันไม่ได้จนกว่าตัวประมวลผลร่วมจะรับประกันว่าจะอยู่ในคอมพิวเตอร์ที่การใช้งานส่วนใหญ่เห็นได้ชัด ฉันคิดว่ามีโปรแกรมเมอร์บางคนอยู่ที่นั่นตอนนี้ทำงานบนชิปฝังตัวพยายามที่จะตัดสินใจว่าจะนำห้องสมุดคณิตศาสตร์เพื่อจัดการกับปัญหาคณิตศาสตร์บางอย่างหรือไม่

นั่นเป็นเหตุผลทางคณิตศาสตร์ที่ไม่ได้มาตรฐาน โปรแกรมส่วนใหญ่หรืออาจส่วนใหญ่ไม่ได้ใช้โฟลว์เดียว ถ้า FPUs อยู่ใกล้ ๆ และลอยตัวและคู่ถูกเสมอเพื่อให้ทำงานไม่ต้องสงสัยเลยว่าจะมี "stdmath"

เนื่องจากการฝึกฝนทางประวัติศาสตร์ที่น่าหัวเราะที่ไม่มีใครเต็มใจแก้ไข การรวมฟังก์ชั่นทั้งหมดที่ต้องการโดย C และ POSIX ลงในไฟล์ไลบรารีเดียวไม่เพียง แต่จะหลีกเลี่ยงคำถามนี้ที่ถูกถามซ้ำแล้วซ้ำอีก แต่ยังช่วยประหยัดเวลาและหน่วยความจำจำนวนมากเมื่อเชื่อมโยงแบบไดนามิกเนื่องจากแต่ละ.soไฟล์ที่เชื่อมโยง เพื่อค้นหาและค้นหาและสองสามหน้าสำหรับตัวแปรสแตติกการเปลี่ยนตำแหน่ง ฯลฯ

การดำเนินการที่ฟังก์ชั่นทั้งหมดที่มีในห้องสมุดและ-lm, -lpthread, -lrtฯลฯ ตัวเลือกที่มีอยู่ทั้งหมดไม่มี Ops (หรือเชื่อมโยงไปยังที่ว่างเปล่า.aไฟล์) เป็นอย่างดี POSIX สอดคล้องและดีกว่าอย่างแน่นอน

หมายเหตุ: ฉันกำลังพูดถึง POSIX เพราะ C เองไม่ได้ระบุอะไรเกี่ยวกับวิธีเรียกใช้คอมไพเลอร์ ดังนั้นคุณสามารถถือว่าgcc -std=c99 -lmเป็นวิธีการใช้งานเฉพาะที่คอมไพเลอร์จะต้องเรียกใช้สำหรับพฤติกรรมที่สอดคล้อง

เพราะtime()และมีฟังก์ชั่นอื่น ๆ ที่builtinกำหนดไว้ในไลบรารี C ( libc) เองและ GCC จะเชื่อมโยงไปยัง libc เสมอเว้นแต่คุณจะใช้-ffreestandingตัวเลือกการคอมไพล์ อย่างไรก็ตามฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์อาศัยอยู่ในlibmซึ่งไม่ได้เชื่อมโยงโดยนัยโดย gcc

คำอธิบายให้ไว้ที่นี่ :

ดังนั้นหากโปรแกรมของคุณใช้ฟังก์ชั่นคณิตศาสตร์และรวมไปถึงmath.hคุณจะต้องเชื่อมโยงห้องสมุดคณิตศาสตร์อย่างชัดเจนด้วยการส่ง-lmค่าสถานะ เหตุผลสำหรับการแยกโดยเฉพาะนี้คือนักคณิตศาสตร์มีความพิถีพิถันมากเกี่ยวกับวิธีการคำนวณทางคณิตศาสตร์ของพวกเขาและพวกเขาอาจต้องการใช้การใช้งานฟังก์ชันคณิตศาสตร์แทนการใช้มาตรฐาน หากฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์ถูกรวบรวมเข้ามาlibc.aมันจะไม่สามารถทำเช่นนั้นได้

[แก้ไข]

ฉันไม่แน่ใจว่าฉันเห็นด้วยกับเรื่องนี้ ถ้าคุณมีไลบรารี่ที่ให้พูดsqrt()และส่งต่อไปยังไลบรารี่มาตรฐานตัวลิงก์ Unix จะใช้เวอร์ชันของคุณใช่ไหม

มีการอภิปรายอย่างละเอียดของการเชื่อมโยงไปยังห้องสมุดภายนอกในเรื่องรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับ GCC - การเชื่อมโยงกับห้องสมุดภายนอก หากไลบรารีเป็นสมาชิกของไลบรารีมาตรฐาน (เช่น stdio) คุณไม่จำเป็นต้องระบุให้คอมไพเลอร์ (เป็นตัวเชื่อมโยง) เพื่อเชื่อมโยง

แก้ไข: หลังจากอ่านคำตอบและความคิดเห็นอื่น ๆ แล้วฉันคิดว่าการอ้างอิง libc.aและการอ้างอิง libm ที่ลิงก์ไปยังทั้งคู่มีจำนวนมากที่จะพูดเกี่ยวกับสาเหตุที่ทั้งสองแยกจากกัน

โปรดทราบว่าฟังก์ชั่นจำนวนมากใน 'libm.a' (ห้องสมุดคณิตศาสตร์) มีการกำหนดไว้ใน 'math.h' แต่ไม่มีใน libc.a บางตัวอาจจะสับสน แต่กฎของ thumb คือสิ่งนี้ - ไลบรารี C ประกอบด้วยฟังก์ชันเหล่านั้นที่ ANSI สั่งการต้องมีอยู่ดังนั้นคุณไม่จำเป็นต้องใช้ -lm หากคุณใช้ฟังก์ชัน ANSI เท่านั้น ในทางตรงกันข้าม `libm.a 'มีฟังก์ชั่นมากขึ้นและรองรับฟังก์ชั่นเพิ่มเติมเช่นการเรียกกลับ matherr และการปฏิบัติตามมาตรฐานทางเลือกหลายประการของพฤติกรรมในกรณีที่เกิดข้อผิดพลาด FP ดูส่วน libm สำหรับรายละเอียดเพิ่มเติม

ดังที่ ephemient กล่าวว่าไลบรารี C libc เชื่อมโยงกันโดยค่าเริ่มต้นและไลบรารีนี้มีการใช้งานของ stdlib.h, stdio.h และไฟล์ส่วนหัวมาตรฐานอื่น ๆ อีกหลายรายการ เพียงเพิ่มไปยังมันตาม " คำแนะนำเพื่อ GCC " คำสั่ง linker สำหรับโปรแกรม "Hello World" พื้นฐานใน C เป็นดังนี้:

ld -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 /usr/lib/crt1.o 
/usr/lib/crti.o /usr/libgcc-lib /i686/3.3.1/crtbegin.o
-L/usr/lib/gcc-lib/i686/3.3.1 hello.o -lgcc -lgcc_eh -lc 
-lgcc -lgcc_eh /usr/lib/gcc-lib/i686/3.3.1/crtend.o /usr/lib/crtn.o

สังเกตเห็นตัวเลือก-lcในบรรทัดที่สามที่เชื่อมโยงไลบรารี C

ฉันคิดว่ามันเป็นเรื่องโดยพลการ คุณต้องลากเส้นที่ไหนสักแห่ง (ไลบรารีใดเป็นค่าเริ่มต้นและต้องระบุ)

มันให้โอกาสคุณในการแทนที่ด้วยอันที่ต่างกันซึ่งมีฟังก์ชั่นเหมือนกัน แต่ฉันไม่คิดว่ามันจะเป็นเรื่องธรรมดา

แก้ไข: (จากความเห็นของฉันเอง): ฉันคิดว่า gcc ทำเช่นนี้เพื่อรักษาความเข้ากันได้ย้อนหลังกับสำเนาต้นฉบับ ฉันเดาว่าทำไมซีซีถึงเกิดขึ้นเพราะเวลาในการสร้าง - ซีซีเขียนขึ้นสำหรับเครื่องจักรที่ใช้พลังงานน้อยกว่าที่เรามีอยู่ตอนนี้ โปรแกรมจำนวนมากไม่มีคณิตศาสตร์แบบอิงดัชนีและพวกเขาอาจใช้ไลบรารีทั้งหมดที่ไม่ได้ใช้เป็นค่าเริ่มต้น ฉันเดาว่าเวลาในการสร้างของ UNIX OS และเครื่องมือที่สอดคล้องกับมันเป็นแรงผลักดัน

หากฉันใส่ stdlib.h หรือ stdio.h ฉันไม่จำเป็นต้องเชื่อมโยงสิ่งเหล่านั้น แต่ฉันต้องเชื่อมโยงเมื่อฉันคอมไพล์:

stdlib.h, stdio.hเป็นไฟล์ส่วนหัว คุณรวมไว้เพื่อความสะดวกของคุณ พวกเขาคาดการณ์ว่าจะมีสัญลักษณ์ใดบ้างที่จะเชื่อมโยงกับคุณในห้องสมุดที่เหมาะสม การใช้งานอยู่ในไฟล์ไลบรารีซึ่งเป็นที่ที่ฟังก์ชั่นใช้งานได้จริง

การรวมmath.hเป็นเพียงขั้นตอนแรกในการเข้าถึงฟังก์ชั่นคณิตศาสตร์ทั้งหมด

นอกจากนี้คุณไม่ต้องเชื่อมโยงกับlibmถ้าคุณไม่ได้ใช้ฟังก์ชั่นของมันแม้ว่าคุณจะทำ#include <math.h>ขั้นตอนที่เป็นข้อมูลสำหรับคุณสำหรับคอมไพเลอร์เกี่ยวกับสัญลักษณ์

stdlib.h, stdio.hอ้างถึงฟังก์ชั่นในการใช้ได้libcที่เกิดขึ้นจะเชื่อมโยงเสมอเพื่อให้ผู้ใช้ไม่ต้องทำมันเอง

stdio เป็นส่วนหนึ่งของไลบรารี C มาตรฐานซึ่งโดยค่าเริ่มต้น gcc จะเชื่อมโยงกับ

การใช้งานฟังก์ชั่นทางคณิตศาสตร์อยู่ในไฟล์ libm แยกต่างหากที่ไม่ได้เชื่อมโยงโดยค่าเริ่มต้นดังนั้นคุณต้องระบุ -lm ยังไม่มีความสัมพันธ์ระหว่างไฟล์ส่วนหัวและไฟล์ไลบรารีเหล่านั้น

ฉันเดาว่ามันเป็นวิธีที่จะทำให้แอพที่ไม่ได้ใช้งานเลยทำงานได้ดีขึ้นเล็กน้อย นี่คือความคิดของฉันเกี่ยวกับเรื่องนี้

x86 OSes (และฉันนึกภาพคนอื่น ๆ ) จำเป็นต้องเก็บสถานะ FPU ไว้ที่ context switch อย่างไรก็ตามระบบปฏิบัติการส่วนใหญ่มักจะรำคาญที่จะบันทึก / กู้คืนสถานะนี้หลังจากที่แอปพยายามใช้ FPU เป็นครั้งแรก

นอกจากนี้อาจมีรหัสพื้นฐานบางอย่างในไลบรารีคณิตศาสตร์ซึ่งจะตั้งค่า FPU ให้เป็นสถานะฐานสติเมื่อโหลดไลบรารี

ดังนั้นหากคุณไม่เชื่อมโยงในโค้ดคณิตศาสตร์ใด ๆ เลยสิ่งนี้จะไม่เกิดขึ้นดังนั้นระบบปฏิบัติการไม่จำเป็นต้องบันทึก / กู้คืนสถานะ FPU ใด ๆ เลยทำให้การสลับบริบทมีประสิทธิภาพมากขึ้นเล็กน้อย

เพียงแค่เดาว่า

แก้ไข:ในการตอบสนองต่อความคิดเห็นบางส่วนหลักฐานพื้นฐานเดียวกันยังคงใช้กับกรณีที่ไม่ใช่ FPU (หลักฐานยืนยันว่าเป็นการสร้างแอปที่ไม่ทำให้การใช้ libm ทำงานได้ดีขึ้นเล็กน้อย)

ตัวอย่างเช่นหากมี soft-FPU ซึ่งเป็น likley ในช่วงต้นของ C จากนั้นการแยก libm สามารถป้องกันโค้ดขนาดใหญ่ (และช้าถ้าใช้) จากการเชื่อมโยงโดยไม่จำเป็น

นอกจากนี้หากมีการเชื่อมโยงแบบสแตติกพร้อมใช้งานเท่านั้นอาร์กิวเมนต์ที่คล้ายกันจะมีผลบังคับใช้ซึ่งจะทำให้ขนาดที่สามารถเรียกใช้งานได้และเวลาการคอมไพล์ลดลง