Tại sao bạn phải liên kết thư viện toán học trong C?

Nếu tôi bao gồm <stdlib.h>hoặc <stdio.h>trong một chương trình C, tôi không phải liên kết những thứ này khi biên dịch nhưng tôi phải liên kết đến <math.h>, sử dụng -lmvới gcc, ví dụ:

gcc test.c -o test -lm

Lý do cho điều này là gì? Tại sao tôi phải liên kết rõ ràng thư viện toán học mà không phải các thư viện khác?

Các hàm trong stdlib.hvà stdio.hcó các cài đặt trong libc.so(hoặc libc.acho liên kết tĩnh), được liên kết vào tệp thực thi của bạn theo mặc định (như thể -lcđược chỉ định). GCC có thể được hướng dẫn để tránh liên kết tự động này với -nostdlibhoặc -nodefaultlibscác tùy chọn.

Các hàm toán học math.hcó các triển khai trong libm.so(hoặc libm.acho liên kết tĩnh) và libmkhông được liên kết theo mặc định. Có những lý do lịch sử cho việc này libm/ libcchia tách, không ai trong số họ rất thuyết phục.

Thật thú vị, thời gian chạy C ++ libstdc++yêu cầu libm, vì vậy nếu bạn biên dịch chương trình C ++ với GCC ( g++), bạn sẽ tự động được libmliên kết trong.

Hãy nhớ rằng C là một ngôn ngữ cũ và FPU là một hiện tượng tương đối gần đây. Lần đầu tiên tôi thấy C trên các bộ xử lý 8 bit, trong đó có rất nhiều công việc để thực hiện ngay cả số học số nguyên 32 bit. Nhiều trong số các triển khai này thậm chí không có sẵn một thư viện toán học dấu phẩy động!

Ngay cả trên 68000 máy đầu tiên (Mac, Atari ST, Amiga), bộ đồng xử lý dấu phẩy động thường là các tiện ích bổ sung đắt tiền.

Để làm tất cả toán học dấu phẩy động đó, bạn cần một thư viện khá lớn. Và toán học sẽ chậm. Vì vậy, bạn hiếm khi sử dụng phao. Bạn đã cố gắng làm mọi thứ với số nguyên hoặc số nguyên tỷ lệ. Khi bạn phải bao gồm math.h, bạn nghiến răng. Thông thường, bạn sẽ viết các bảng xấp xỉ và tra cứu của riêng mình để tránh điều đó.

Sự đánh đổi tồn tại trong một thời gian dài. Đôi khi có các gói toán cạnh tranh được gọi là "fastmath" hoặc đại loại như vậy. Giải pháp tốt nhất cho toán học là gì? Thực sự chính xác nhưng công cụ chậm? Không chính xác nhưng nhanh? Bảng lớn cho chức năng trig? Mãi cho đến khi các bộ đồng xử lý được đảm bảo có mặt trong máy tính thì hầu hết các triển khai đều trở nên rõ ràng. Tôi tưởng tượng rằng có một số lập trình viên hiện đang ở đâu đó ngay bây giờ, làm việc trên một con chip nhúng, cố gắng quyết định có nên mang vào thư viện toán học để xử lý một số vấn đề toán học hay không.

Đó là lý do toán học không chuẩn . Nhiều hoặc có thể hầu hết các chương trình đã không sử dụng một float. Nếu các FPU luôn ở xung quanh và những chiếc phao và đôi luôn rẻ để vận hành, thì không còn nghi ngờ gì nữa, đó sẽ là một "stdmath".

Bởi vì thực tế lịch sử vô lý mà không ai sẵn sàng để sửa chữa. Hợp nhất tất cả các chức năng theo yêu cầu của C và POSIX vào một tệp thư viện sẽ không chỉ tránh được câu hỏi này mà còn được tiết kiệm một lượng đáng kể thời gian và bộ nhớ khi liên kết động, vì mỗi .sotệp được liên kết yêu cầu các hoạt động của hệ thống tệp để xác định vị trí và tìm thấy nó, và một vài trang cho các biến tĩnh, định vị lại, v.v.

An thực hiện nơi tất cả các chức năng trong một thư viện và -lm, -lpthread, -lrtvv tùy chọn là tất cả không-ops (hoặc liên kết để trống .afiles) là hoàn toàn tuân thủ QTI POSIX và chắc chắn thích hợp hơn.

Lưu ý: Tôi đang nói về POSIX vì bản thân C không chỉ định bất cứ điều gì về cách trình biên dịch được gọi. Vì vậy, bạn chỉ có thể coi gcc -std=c99 -lmnhư cách cụ thể thực hiện mà trình biên dịch phải được gọi cho hành vi tuân thủ.

Bởi vì time()và một số hàm khác được builtinđịnh nghĩa trong chính thư viện C ( libc) và GCC luôn liên kết với libc trừ khi bạn sử dụng -ffreestandingtùy chọn biên dịch. Tuy nhiên, các hàm toán học sống trong libmđó không được liên kết ngầm bởi gcc.

Một lời giải thích được đưa ra ở đây :

Vì vậy, nếu chương trình của bạn đang sử dụng các hàm toán học và bao gồm math.h , thì bạn cần liên kết rõ ràng thư viện toán học bằng cách chuyển -lmcờ. Lý do cho sự tách biệt đặc biệt này là vì các nhà toán học rất kén chọn cách tính toán của họ và họ có thể muốn sử dụng việc thực hiện các hàm toán học của riêng họ thay vì thực hiện chuẩn. Nếu các hàm toán học được gộp vào libc.athì sẽ không thể làm được điều đó.

[Biên tập]

Tôi không chắc chắn tôi đồng ý với điều này, mặc dù. Nếu bạn có một thư viện cung cấp, giả sử, sqrt()và bạn vượt qua nó trước thư viện chuẩn, một trình liên kết Unix sẽ lấy phiên bản của bạn, phải không?

Có một cuộc thảo luận kỹ lưỡng về việc liên kết với các thư viện bên ngoài trong Giới thiệu về GCC - Liên kết với các thư viện bên ngoài . Nếu một thư viện là thành viên của các thư viện chuẩn (như stdio), thì bạn không cần chỉ định cho trình biên dịch (thực sự là trình liên kết) để liên kết chúng.

EDIT: Sau khi đọc một số câu trả lời và nhận xét khác, tôi nghĩ rằng tài liệu tham khảo libc.a và tài liệu tham khảo libm mà nó liên kết với cả hai có rất nhiều điều để nói về lý do tại sao hai người lại tách biệt.

Lưu ý rằng nhiều hàm trong 'libm.a' (thư viện toán học) được định nghĩa trong 'math.h' nhưng không có trong libc.a. Một số có thể gây nhầm lẫn, nhưng nguyên tắc cơ bản là thế này - thư viện C chứa các hàm mà ANSI ra lệnh phải tồn tại, do đó bạn không cần -lm nếu bạn chỉ sử dụng các hàm ANSI. Ngược lại, 'libm.a' chứa nhiều chức năng hơn và hỗ trợ chức năng bổ sung như gọi lại matherr và tuân thủ một số tiêu chuẩn hành vi thay thế trong trường hợp có lỗi FP. Xem phần libm, để biết thêm chi tiết.

Như ephemient đã nói, thư viện C libc được liên kết theo mặc định và thư viện này chứa các cài đặt của stdlib.h, stdio.h và một số tệp tiêu đề tiêu chuẩn khác. Chỉ cần thêm vào nó, theo " Giới thiệu về GCC ", lệnh liên kết cho chương trình "Hello World" cơ bản trong C như sau:

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

Lưu ý tùy chọn -lc trong dòng thứ ba liên kết thư viện C.

Tôi nghĩ đó là loại tùy ý. Bạn phải vẽ một dòng ở đâu đó (thư viện nào là mặc định và cần được chỉ định).

Nó cho bạn cơ hội để thay thế nó bằng một chức năng khác có cùng chức năng, nhưng tôi không nghĩ việc làm như vậy là rất phổ biến.

EDIT: (từ ý kiến ​​của riêng tôi): Tôi nghĩ gcc làm điều này để duy trì khả năng tương thích ngược với cc ban đầu. Tôi đoán tại sao cc làm điều này là do thời gian xây dựng - cc được viết cho các máy có công suất thấp hơn nhiều so với hiện tại. Rất nhiều chương trình không có toán học dấu phẩy động và có lẽ chúng đã lấy mọi thư viện thường không được sử dụng ngoài mặc định. Tôi đoán rằng thời gian xây dựng HĐH UNIX và các công cụ đi cùng với nó là động lực.

Nếu tôi đặt stdlib.h hoặc stdio.h, tôi không phải liên kết những cái đó nhưng tôi phải liên kết khi tôi biên dịch:

stdlib.h, stdio.hlà các tệp tiêu đề. Bạn bao gồm chúng để thuận tiện cho bạn. Họ chỉ dự báo những biểu tượng nào sẽ trở nên khả dụng nếu bạn liên kết trong thư viện thích hợp. Việc triển khai nằm trong các tệp thư viện, đó là nơi các chức năng thực sự sống.

Bao gồm math.hchỉ là bước đầu tiên để có được quyền truy cập vào tất cả các hàm toán học.

Ngoài ra, bạn không phải liên kết với libmnếu bạn không sử dụng các chức năng của nó, ngay cả khi bạn thực hiện một #include <math.h>bước chỉ là thông tin cho bạn, cho trình biên dịch về các ký hiệu.

stdlib.h, stdio.htham khảo các chức năng có sẵn libc, luôn luôn được liên kết để người dùng không phải tự làm.

stdio là một phần của thư viện C tiêu chuẩn, theo mặc định, gcc sẽ liên kết với.

Việc triển khai hàm toán học nằm trong một tệp libm riêng biệt không được liên kết theo mặc định, do đó bạn phải chỉ định nó -lm. Nhân tiện, không có mối quan hệ giữa các tệp tiêu đề và tệp thư viện.

Tôi đoán rằng đó là một cách để làm cho các ứng dụng hoàn toàn không sử dụng nó hoạt động tốt hơn một chút. Đây là suy nghĩ của tôi về điều này.

Các hệ điều hành x86 (và tôi tưởng tượng ra các hệ điều hành khác) cần lưu trữ trạng thái FPU trên chuyển đổi ngữ cảnh. Tuy nhiên, hầu hết các hệ điều hành chỉ bận tâm lưu / khôi phục trạng thái này sau khi ứng dụng cố gắng sử dụng FPU lần đầu tiên.

Ngoài ra, có lẽ có một số mã cơ bản trong thư viện toán học sẽ đặt FPU thành trạng thái cơ sở lành mạnh khi thư viện được tải.

Vì vậy, nếu bạn hoàn toàn không liên kết trong bất kỳ mã toán học nào, thì điều này sẽ không xảy ra, do đó HĐH hoàn toàn không phải lưu / khôi phục bất kỳ trạng thái FPU nào, giúp chuyển đổi ngữ cảnh hiệu quả hơn một chút.

Chỉ là một phỏng đoán mặc dù.

EDIT: để đáp ứng với một số ý kiến, tiền đề cơ sở tương tự vẫn được áp dụng cho các trường hợp không phải là FPU (tiền đề là làm cho các ứng dụng không sử dụng libm hoạt động tốt hơn một chút).

Ví dụ: nếu có một FPU mềm giống như trong những ngày đầu của C. Sau đó, việc tách libm có thể ngăn không cho nhiều mã lớn (và chậm nếu được sử dụng) không được liên kết một cách không cần thiết.

Ngoài ra, nếu chỉ có sẵn liên kết tĩnh, thì một đối số tương tự sẽ áp dụng rằng nó sẽ giữ kích thước thực thi và thời gian biên dịch xuống.