尽管引用未定义（缺少`extern“C”`），为什么可以链接静态库？

Question

我没有需要解决的问题，但对以下问题感到非常困惑：

我正在使用 CMake（在内部使用 gcc）。不确定这是否重要。

假设我有一个项目，它包含一个 C++ 静态库 LibCpp 和一个演示 C++ 可执行文件 DemoCpp，它链接到并使用 LibCpp。 LibCpp 库是从 C 和 C++ 源代码编译而来的。正确的做法是让 LibCpp 的 C++ 代码文件将所有 C 头文件包含为extern "C" {#include "c_header.h"}。如果这样做了，静态库链接正常，可执行 DemoCpp 成功链接到 LibCpp。一切正常。

假设，我忘了输入extern "C"，只是将 C 头文件作为 C++ 头文件包含在内。正如预期的那样，整个项目无法链接。然而，这让我感到困惑，当 DemoCpp 尝试链接到 LibCpp 时，链接失败！我原以为它在链接静态库时已经失败了。但是，静态库（例如LibCpp.a 文件）构建得很好，只是不能使用。

这让我很费解，因为要链接静态库（我认为），链接器必须将引用解析为编译为 C 的代码。我认为这也很烦人，因为我不能依赖库仅在库本身设法被链接后才“可链接到”。我错过了什么吗？

你不需要看下面的代码示例，除非你不明白我的问题或者不相信我说的话。

# CMakeLists.txt
cmake_minimum_required(VERSION 3.17)

project(LibraryLinkerEvil)

# Toggle this line to see that linking fails for DemoCpp BUT NOT FOR LibCpp!!!
add_compile_definitions(USE_EXTERN_C)

set(CMAKE_CXX_STANDARD 17)
add_library(LibCpp cpp_lib.cpp util.c)

add_executable(DemoCpp main.cpp)
target_link_libraries(DemoCpp PRIVATE LibCpp)

// cpp_lib.cpp
#ifdef USE_EXTERN_C
extern "C" {
#endif

#include "util.h"

#ifdef USE_EXTERN_C
}
#endif

int call_c_function(int a, int b) {
    return add(a,b);
}

// main.cpp
#include <iostream>

int call_c_function(int a, int b); // could be in a separate C++ header.

int main() {
    std::cout << "Hello, World! " << call_c_function(2,2) << std::endl;
    return 0;
}

// util.h (C header)
#ifndef LIBRARYLINKEREVIL_UTIL_H
#define LIBRARYLINKEREVIL_UTIL_H

int add(int a, int b);

#endif //LIBRARYLINKEREVIL_UTIL_H

// util.c (C source file)
int add(int a, int b) {
    return a+b;
}

Answer 1

我原以为它在链接静态库时已经失败了。

静态“库”未链接。为方便起见，它的组成对象文件被归档 - 捆绑在 对象归档 中。这就是静态“库”。您可以将其视为打包在“zip”文件中的一堆目标文件，然后链接器可以对其进行解码。

因此，对象存档的唯一链接是目标二进制文件本身被链接时（无论是链接到 .dll/.so 还是可执行文件）。

使用对象存档等同于使用组成对象文件：无需将存档传递给链接器，您可以将其包含的所有对象文件传递给链接器，并获得相同的结果。

在 Unix 上，管理对象档案的工具的典型名称是 ar (archiver) - 确实是一个非常具有描述性的名称。在 Unix 传统中，静态“库”被称为对象档案。静态“库”一词是一个令人困惑的误称，应该被禁止。

通常ar 是一个比链接器小得多的程序——通常小一个数量级。最基本的归档只是添加了标题的串联。

Answer 2

创建库时，并非所有引用都需要解析。如果您的库代码依赖于另一个库怎么办？创建库时不会解析这些引用。当您将库链接到可执行文件时，它们会得到解决，在这种情况下，您还需要将其与其他库链接以提供这些依赖项。

图书馆liba.a:

void from_b();
void from_a()
{
    from_b();
}

库libb.a:

void from_b()
{
    ...
}

main.cpp:

void from_a();
int main()
{
    from_a();
}

编译/链接：

g++ main.cpp -la -lb

如果没有-lb，你会在这里得到一个未定义的引用错误。

Answer 3

因为 C++ 支持函数重载，所以函数名称在编译过程中被“修改”，因此它们在目标文件中具有唯一的名称。使用 extern "C" 可以防止这种损坏发生。

如果你在编译时忽略了extern "C"，那么call_c_function 期望调用一个名称为add 的C++ 函数，特别是修改后的名称将是_Z3addii。由于 add 存在于 .c 文件中，它具有未损坏的名称而不是已损坏的名称，因此现在 _Z3addii 与 printf 一样被视为外部函数，并且与所有其他外部函数一样，它们预计将在可执行文件的链接时间，不是编译时间，也不是创建静态库的时间。

当您创建一个静态库时，您实际上并没有进行链接。您只是将几个目标文件组合到一个更大的存档中。这样，当实际发生链接时，您只需要链接单个文件而不是多个文件。