关于gcc内置函数和c隐式函数声明的认识以及一些推测

Posted 2020-07-29 hujichen

　　最近在看APUE，不愧是经典，看一点就收获一点。但是感觉有些东西还是没说清楚，需要自己动手验证一下，结果发现需要用gcc，就了解一下。

　　有时候，你在代码里面引用了一个函数但是没有包含相关的头文件，这个时候gcc报的错误比较诡异，一般是这样：【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启用]】。这个错误网上大量博客都在说需要包含XXX.h文件，但是没有人解释这个错误信息为什么这样表达。什么是隐式声明，什么是内建函数，我就纠结了。

　　

　　隐式声明函数的概念网上有相关的资料，有兴趣的同学可以自行查阅，这里简要的提一下。如果你调用了一个函数a，但是gcc找不到函数a的定义，那就默认帮你定义一个函数a，大概如下。

　　int a(XXX){return XXX}

　　显然这个不是件好事，因为，有时候gcc这样做会发现问题，提示这个错误，如果你用了这样的语句int i = a(XX);这样的话gcc是不会报错的，具体的行为我也没有深入研究。C语言后来的标准都慢慢放弃了隐式声明函数，C++里面会直接报错。

 

　　内建函数，讲这个的资料就比较少。最后是在gcc的官方文档里面看到了相关的介绍，我也没有时间去细究只是看了几段话，再结合一些帖子里面的只言片语，大概得出如下推测。。

　　顾名思义，内建函数就是一个系统或者工具提供的默认就能用的函数。这里面可以有两种理解，可以是gcc支持的c语言默认让你用这些函数，这些是gcc-c的内建函数；还有一种理解就是gcc指定的函数，gcc允许你使用这些函数。官方文档里面说gcc的内建函数大多是为了对代码进行优化，所以我更倾向于后一种理解。我觉得gcc的内建函数可以认为是gcc提供的一些类似预处理功能，以C函数的形式提供给编程人员使用，就是说看着是c函数，其实最后跟c语言没关系。比如下面的例子里面会用到，如果代码里面直接有sin(1)这样的调用，那gcc会直接算出sin(1)的值，然后在生成代码的时候直接使用这个值，而不会使用call sin命令调用sin函数。这就是所谓的优化（还有其他类型的优化，这个只是其中一种情况）。

　　官方文档里面说gcc的内建函数主要分两类，一类以_builtin_为前缀，一类没有前缀。后者往往与某一个标准库的函数相对应，如sin，printf，exit。当编译器认为可以对相关的代码进行优化的时候（比如上面提到的直接得出某个结果，比如忽略没有意义的计算等等），会直接进行优化，而这些函数就相当于gcc的内置函数了。

　　上面对内置函数进行了也说明，不知道我表达清楚没有，下面讲几个具体的例子。

　　一、不连接libm的情况下使用sin函数

　　file:math.c。

#include <stdio.h>
#include <math.h>
  
int main(){
    //int i = 1;
    //printf("sin(1)=%f.\\n", sin(i));
    printf("sin(1)=%f.\\n", sin(1));
    return 0;
}

　　这个代码可以直接gcc math.c -o math.out。然后./math.out直接执行。

　　输出结果：sin(1)=0.841471.

　　习惯了window编程的同学可能觉得没什么，但是在linux编程中是有问题的。gcc中，include <math.h>这条语句只是将math.h（标准库头文件）文件包含进math.c（我们的例子文件）中来，但是math.h中只有sin函数的声明，并没有sin函数的定义。正常而言，使用了math.h中声明的函数，就需要在编译(准确说是连接)的时候指定实现了math.h中函数声明的库，这里math.h对应标准库libm.a和libm.so。前者为静态库，后者为动态库。你可以这样理解，所有的.h文件是不需要编译的(如果被include，直接就相当于插入到了代码中)，所有的.c文件都需要编译。.h文件中只是定义一个函数的形式，而不管这个函数具体做什么，比如sin函数需要一个double型的参数，执行完后返回一个double型的值。对汇编和编译原理有所了解的同学都应该懂，这样就可以暂时的编译一个调用了sin函数的.c文件，而不管sin函数具体怎定义了，直到生成汇编源代码。最后编译成汇编源代码大概就是

　　push XXX //参数压栈

　　call sin

　　mov XXX XXX 或者pop XXX //获取返回值。

　　有个函数声明，编译器就知道参数压栈怎么压，同时也知道返回的时候怎么获取返回值。

　　但是代码最后还是要执行的，也就是说生成了汇编源代码还不行，还要把汇编源代码汇编成机器代码。这个时候，没有sin函数具体的代码，编译器没办法继续将汇编源代码汇编成机器代码，只能停留在这里。编译一份代码的最后一步就是连接。连接会将所有指定的.c文件编译的结果连接在一起。如上所述，libm.a和libm.so实现了sin，要想上面的代码能够运行，需要将libm.a(这里面只用到静态链接库)和math.c(示例代码)的编译结果连接起来。

　　说了半天编译器的事，如果你听不明白上面的内容，那估计就不用往下看了，先补充一下相关的知识再说。

　　总而言之，在gcc中如果代码使用了math.h中声明的函数，不但要在代码里include <math.h>，还需要编译的时候指定连接libm.a。理解了这点，就知道为什么上面的例子使用"gcc math.c -o math.out"很奇怪了。言归正传，为什么这个例子不需要连接libm.so。

　　一开始，我以为是gcc编译器比较智能，能自动识别sin是math.h中的函数，然后自动连接libm.a。或者gcc默认就连接libm.a，但是网上并没找到这样的资料。直到看到一个帖子也是问类似的问题，有一个回答的人大意如下：gcc会对代码进行优化，但是优化也是基于gcc能够确定这个优化是没问题的。比如把sin(1)替换为sin(1)的真实值，这个就可以，因为代码里面使用sin(1)的目的99.9999999%是要计算sin(1)的值，而这个值是确定的，那gcc就在编译的时候算好，运行的时候就不用再算了。为了验证这点，可以使用gcc -S math.c -o math.s命令查看gcc将math.c编译成的汇编源代码（-S指定编译行为停止在生成汇编源代码阶段）。

 1     .file    "math.c"
 2     .section    .rodata
 3 .LC1:
 4     .string    "sin(1)=%f.\\n"
 5     .text
 6     .globl    main
 7     .type    main, @function
 8 main:
 9 .LFB0:
10     .cfi_startproc
11     pushq    %rbp
12     .cfi_def_cfa_offset 16
13     .cfi_offset 6, -16
14     movq    %rsp, %rbp
15     .cfi_def_cfa_register 6
16     subq    $16, %rsp
17     movabsq    $4605754516372524270, %rax
18     movq    %rax, -8(%rbp)
19     movsd    -8(%rbp), %xmm0
20     movl    $.LC1, %edi
21     movl    $1, %eax
22     call    printf
23     movl    $0, %eax
24     leave
25     .cfi_def_cfa 7, 8
26     ret
27     .cfi_endproc
28 .LFE0:
29     .size    main, .-main
30     .ident    "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-4)"
31     .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

　　注意main函数的内容，里面只有一个call printf，并没有call sin。同时注意到第17行有一个莫名其妙的数字$4605754516372524270。个人认为这个就是sin(1)的值经过莫中变化后的8进制代码。至于经过了什么变化我也说不清楚，这个值好像也不是sin(1)浮点结果的8进制，可能经过了一些运算，或者sin(1)的结果只是这个8进制值的一部分，这个有心的同学可以研究研究。不管怎么样，汇编代码里面没有call sin。说明sin(1)已经被优化了。

　　同样是sin(1)，在什么情况下gcc没办法优化呢？很简单，int i = 1; sin(i)，这样gcc就没法优化了。虽然也是计算sin(1)，但是gcc在编译代码的时候只知道求sin(i)，但是他不知道i值是多少。为什么不知道？这个是编译优化的内容，有兴趣的同学可以了解一下。简单来说就是，有些变量的值在某些状态下是可以推导的，但是目前的技术能推导的情况不多，而且需要大量的编译处理才能推导，gcc对sin(i)这种情况大概是选择直接不推导。

1 #include <stdio.h>
2 #include <math.h>
3   
4 int main(){
5     int i = 1;
6     printf("sin(1)=%f.\\n", sin(i));
7     printf("sin(1)=%f.\\n", sin(1));
8     return 0;
9 }

　　注意之前math.c的代码，将其中的注释去掉，就是现在math.c的代码。这个时候"gcc math.c -o math.out"就会报错：

　　　　/tmp/ccYkhbgg.o：在函数‘main’中：
　　　　math.c:(.text+0x15)：对‘sin’未定义的引用
　　　　collect2: 错误：ld 返回 1

　　再看看汇编代码，注意这个时候到汇编的代码还是可以生成的，只是将汇编源程序会变成机器代码的时候，才发现call sin的sin函数没定义。

 1     .file    "math.c"
 2     .section    .rodata
 3 .LC0:
 4     .string    "sin(1)=%f.\\n"
 5     .text
 6     .globl    main
 7     .type    main, @function
 8 main:
 9 .LFB0:
10     .cfi_startproc
11     pushq    %rbp
12     .cfi_def_cfa_offset 16
13     .cfi_offset 6, -16
14     movq    %rsp, %rbp
15     .cfi_def_cfa_register 6
16     subq    $32, %rsp
17     movl    $1, -4(%rbp)
18     cvtsi2sd    -4(%rbp), %xmm0
19     call    sin
20     movsd    %xmm0, -24(%rbp)
21     movq    -24(%rbp), %rax
22     movq    %rax, -24(%rbp)
23     movsd    -24(%rbp), %xmm0
24     movl    $.LC0, %edi
25     movl    $1, %eax
26     call    printf
27     movabsq    $4605754516372524270, %rax
28     movq    %rax, -24(%rbp)
29     movsd    -24(%rbp), %xmm0
30     movl    $.LC0, %edi
31     movl    $1, %eax
32     call    printf
33     movl    $0, %eax
34     leave
35     .cfi_def_cfa 7, 8
36     ret
37     .cfi_endproc
38 .LFE0:
39     .size    main, .-main
40     .ident    "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-4)"
41     .section    .note.GNU-stack,"",@progbits

　　这个时候有两个call printf，第一个call printf之前有一个call sin。第二个call printf前面还是没有call sin。

　　gcc官方文档里面有一段话，大意是：对于内置函数，如果能对代码进行优化，gcc会优化代码，如果不能优化，往往就是直接调用同名的标准库函数。我的理解就是sin(1)能优化就给你优化了，sin(i)优化不了，就还是调用math.h中声明的sin函数。

　　GCC includes built-in versions of many of the functions in the standard C library. These functions come in two forms: one whose names start with the __builtin_ prefix, and the other without. Both forms have the same type (including prototype), the same address (when their address is taken), and the same meaning as the C library functions even if you specify the -fno-builtin option see C Dialect Options). Many of these functions are only optimized in certain cases; if they are not optimized in a particular case, a call to the library function is emitted.

　　修改的后代码编译时制定libm.a就可以，具体命令如下 gcc math.c -lm -o math.out。 -lxxx参数就是到相关目录中找libxxx.so和libxxx.a。这样就可以连接到libm.a了。

　　gcc内建函数是可选的，我们可以在编译的时候指定不使用某些内建函数，gcc -fno-builtin-xxx。还是一开始的例子，使用命令：gcc -fno-builtin-sin math.c -o math.out。这次就会报错，因为我们指定不使用内建函数sin，那就会使用math.h中声明的sin函数，同时编译的时候并没有指定连接libm.a，这样就会报错：

　　　　/tmp/ccKy8vEG.o：在函数‘main’中：
　　　　math.c:(.text+0x11)：对‘sin’未定义的引用
　　　　collect2: 错误：ld 返回 1

　　

　　最初的问题，【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启用]】是什么意思？这个其实我自己也不清楚，我只是大概弄清楚了什么叫做隐式声明函数和内建函数。在论坛上有人这样回复：内建函数也是有原型的，当隐式声明和对应的内建函数的声明不一致的时候，可能会出问题，所以gcc就警告一下。

　　最后一个默认启用是什么意思我就不清楚了，推测是使用内置函数。

　　最后补充一个例子

1 #include <stdio.h>
2 //#include <math.h>
3 
4 int main(){
5     int i = 1;
6     printf("sin(1)=%f.\\n", sin(i));
7     //printf("sin(1)=%f.\\n", sin(1));
8     return 0;
9 }

　　编译的时候使用 gcc -lm math.c -o math.out。会有【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启用]】警告，但是却还是能生成可执行文件，并且执行结果正确。这个例子中，我们没有包含math.h，所以sin肯定是一个隐式声明函数，会和内建函数不兼容，gcc发出警告，但是由于gcc无法优化sin(i)，所以转而调用标准库的sin(这个调用应该是内置的，因为我们没有包含math.h，应该gcc自动调用math.c中sin函数)。同时连接的时候制定了-lm，连接成功。所以生成的可执行文件正常计算sin(1)。如果默认启用是使用隐式声明函数，那结果应该会有问题。

　　好了，这些就是我对gcc内建函数的一些了解以及一些猜测，如有说的不好的地方，同学们见谅，如有说的不对的地方，欢迎指正。