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离奇“undefined reference”错误分析与解决方案

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    “undefined reference to XXX”是一类挺常见的链接错误,原因通常是链接时找不到声明成extern类型的函数的定义点。不过这次遇到的undefined reference中的XXX函数明明在一个库中定义,而且该库明明已经在命令行用-l指定了,ld -verbose也显示能找到该库文件。 

1 快速解决方案

    如果你只想立即解决此类问题,那么:

  • 方法0: 首先检查XXX函数或者符号是否的确包含在命令行用 -l 参数指定的所有库里。 你可以通过先简单的grep XXX 的试试。(grep到XXX,只能代表库文件中包含该字符串,不等同于有XXX符号的定义。objdump可查看是否真的定义了XXX)。如果找不到,需要先添加相应的链接库选项到命令行中。假如包含XXX的是libaaa.a, 则需要在命令行添加-laaa。另外ld -verbose看看是否库文件路径指定正确。如果此招无效,接着往下看。
  • 方法1: 不妨在命令的结尾处再添加一次 -laaa 参数试试。
  • 方法2: 将-laaa选项用 “-Wl,-start-group ” 和”-Wl, -end-group”括起来试试。(即 “-Wl,-start-group … -laaa … -Wl,-end-group”)
  • 方法3: 将命令行所指定的所有库(尤其是非libgcc.a,libc.a之类的标准库)用 ar重新打包成一个新的 .a文件试试。
  •     也许以上四个方法能帮你解决问题。如果想了解这背后的门道,请继续阅读。

    2 从extern说起

        我们都知道C语言遵循先声明、后使用的原则。但为了支持模块化编程(即将程序代码拆分存储到多个文件中),不同文件中定义的符号可能会相互引用。如A文件中定义了函数XXX,B文件中的代码可能会调用XXX。在编译器生成的可执行文件中,需要提供某种支持使得执行到调用XXX的动作时,能自动跳转到A文件中定义XXX的位置开始执行XXX函数本身。因此编译器需要知道在可执行文件中XXX的引用点。

        理论上编译器可以将A和B中的代码先整合成一个文件,并让XXX定义在前调用在后来解决这一问题。但当代码量很大时,每次小修改都需要编译所有代码,耗时太久。于是为了更好的支持增量编译(即每次仅编译最新修改过的文件),就需要在编译阶段先在XXX的调用点留出一个空槽出来,然后再增加一个链接过程,在链接的时候找到XXX定义的位置,将这个值填入槽中。

        另外语言层面也需要扩展,否则编译器还会在B文件中傻傻的找XXX的定义,找不到就会报错。所以extern关键字被引入,它告诉编译器,留个空槽就符号XXX就行了,不要傻找了,这个函数在其他文件中已经定义。不仅仅是函数,其实许多全局的符号都可以声明成extern,如全局变量。

    3 链接时符号定位

        链接时,ld会首先把所有object文件中的相同的段合并,并为他们分配额空间,这样每个段中各个符号的定义位置就确定了。接着,ld就会在所有符号的引用点处,将为符号留下来的”空槽“,填上定义符号的地址。

    4 解决方案背后的门道

    4.1 方法0

        因为命令行确实没有指出符号所在的库文件,所以报错。找到相应库文件,先添加到命令行中吧。

    4.2 方法1

        方法1是最直接简单的方式,在命令行的结尾再给ld一次找该符号的机会。理论上,因为已经知道符号就在该库中定义,所以ld就能从新添加的这个选项中找到该标号。此法对于简单的小规模程序很合适。

        不过对于Makefile管理的大项目就不行了。因为通常大项目会定义“LIBS”之类的变量。若LIBS变量插在链接命令行的中间位置,且 Makefile 中链接命令过多,在逐个命令最后添加新选项可是个易出错、难维护的体力活。

    4.3 方法2

        这是最文雅的方式。用“ -start-group“ 和”-end-group”扩起来的 .a文件会被反复解析,直到所有的符号都找到定义。因为这些选项都是给链接器ld用的,所以加上了”-Wl,”,代表紧接的选项传给链接器。默认情况下,ld会自动加上“-start-group -lgcc -lgcc_eh -lc -end-group”.意思是找不到的符号/函数名就在这几个库里面使劲搜,因为这几个库太底层了,符号间有依赖。

        虽然这种方式能避免方法1中易出错、难维护的体力活。不过因为需要反复的解析其中的库文件,如果.a文件过多过大的时候,会增加链接时间。

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    4.4 方法3

        这是最KISS的方法,简单高效。既然多个.a文件间存在循环引用依赖,ld解决不了循环依赖关系。那么我们可以参考从集群、网格计算到云计算的进化过程。把一坨.a揉成一个.a文件(ar命令可以实现此操作),交给ld。这样循环依赖问题就解决了。

        这种方式避免了ld反复解析同一个.a文件,降低链接时间开销。不过该方法比较适合项目开发时使用,因为需要调整Makefile,而且将哪些.a揉成一个.a也是一个问题。比如我遇到的错就是因为pthread库函数出现undefined reference,标准库很多的时候也有点头大。

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