用Open Source工具開發軟體: 新軟體開發關念
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標頭檔函式庫與gcc

標頭定義檔.h

當我們給
$ gcc -o test.o test.c
gcc怎麼知道去哪裡找test.c裡面所include的header檔,連結資料庫與系統定義呢? 總共有下列來源指定gcc去那找。

當初在編譯時指定的(在~gcc/gcc/collect2.c:locatelib()
寫在specs內的
後來用-D -I -L指定的
gcc環境變數設定(編譯的時候)
ld.so的環境變數(這是run time的時候)

在

prefix/lib/gcc-lib/xxxx-xxx-xxx-gnulibc/2.9.5/

裡面有個很重要的specs這個檔案 gcc根據這個檔，做一些內定的動作。通常系統上的specs內定裝起來是在

/usr/lib/gcc-lib/xxxx-gnulibc/version/

specs檔看起來是像這樣

*asm:
%{v:-V} %{Qy:} %{!Qn:-Qy} %{n} %{T} %{Ym,*} %{Yd,*} %{Wa,*:%*}

*asm_final:
%|

*cpp:
%(cpp_cpu) %{fPIC:-D__PIC__ -D__pic__} %{fpic:-D__PIC__ -D__pic__} %{posix:
-D_POSIX_SOURCE} %{pthread:-D_REENTRANT}

*cc1:
%(cc1_cpu) %{profile:-p}

*cc1plus:


*endfile:
%{!shared:crtend.o%s} %{shared:crtendS.o%s} crtn.o%s

*link:
-m elf_i386 %{shared:-shared}   %{!shared:     %{!ibcs:       %{!static:  
%{rdynamic:-export-dynamic}     %{!dynamic-linker:-dynamic-linker 
/lib/ld-linux.so.2}}  %{static:-static}}}

*lib:
%{shared: -lc --version-script libgcc.map%s}    %{!shared: %{mieee-fp:-lieee} 
%{pthread:-lpthread}      %{profile:-lc_p} %{!profile: -lc}}

*libgcc:
-lgcc

*startfile:
%{!shared:      %{pg:gcrt1.o%s} %{!pg:%{p:gcrt1.o%s} %{!p:%{profile:gcrt1.o%s} 
%{!profile:crt1.o%s}}}}    crti.o%s %{!shared:crtbegin.o%s} 
%{shared:crtbeginS.o%s}

*switches_need_spaces:

*signed_char:
%{funsigned-char:-D__CHAR_UNSIGNED__}

*predefines:
-D__ELF__ -Dunix -Di386 -D__i386__ -Dlinux -Asystem(posix)

*cross_compile:
0

*version:
egcs-2.91.66

*multilib:
. ;

*multilib_defaults:

*multilib_extra:

*multilib_matches:

*linker:
collect2

*cpp_cpu_default:
-D__tune_i386__

*cpp_cpu:
-Asystem(unix) -Acpu(i386) -Amachine(i386) %{!ansi:-Di386} 
-D__i386 -D__i386__ %{march=i486:-D__i486 -D__i486__} 
%{march=pentium|march=i586:-D__pentium -D__pentium__ } 
%{march=pentiumpro|march=i686:-D__pentiumpro -D__pentiumpro__ } 
%{m386|mcpu=i386:-D__tune_i386__ } %{m486|mcpu=i486:-D__tune_i486__ } 
%{mpentium|mcpu=pentium|mcpu=i586:-D__tune_pentium__ } 
%{mpentiumpro|mcpu=pentiumpro|mcpu=i686:-D__tune_pentiumpro__ } 
%{!mcpu*:%{!m386:%{!m486:%{!mpentium*:%(cpp_cpu_default)}}}}

*cc1_cpu:
%{!mcpu*: %{m386:-mcpu=i386} %{mno-486:-mcpu=i386 -march=i386} 
%{m486:-mcpu=i486} %{mno-386:-mcpu=i486 -march=i486} 
%{mno-pentium:-mcpu=i486 -march=i486} %{mpentium:-mcpu=pentium} 
%{mno-pentiumpro:-mcpu=pentium} %{mpentiumpro:-mcpu=pentiumpro}}

在shell下用這行，-E 表示只做到preprocess就好

$ echo 'main(){}' | gcc -E -v -

你會看到gcc去讀specs檔

Reading specs from /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/specs
gcc version 2.95.2 20000220 (Debian GNU/Linux)
 /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/cpp -lang-c -v -D__GNUC__=2 -D__GNUC_MINOR__=95 -D__ELF__ -Dunix -D__i386__ -Dlinux -D__ELF__ -D__unix__ -D__i386__ -D__linux__ -D__unix -D__linux -Asystem(posix) -Acpu(i386) -Amachine(i386) -Di386 -D__i386 -D__i386__ -
GNU CPP version 2.95.2 20000220 (Debian GNU/Linux) (i386 Linux/ELF)
#include "..." search starts here:
#include <...> search starts here:
 /usr/local/include
 /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/include
 /usr/include
End of search list.
The following default directories have been omitted from the search path:
 /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/../../../../include/g++-3
 /usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/../../../../i386-linux/include
End of omitted list.
# 1 ""
main(){}

所以有內定的定義，(就是用在#if defined #ifndef #define這些東西，如果有定義這個字串，就去編譯等等。) -Dxxxx -Dxxxx -Axxxx。還有內定的include檔的搜尋路徑

/usr/include
/usr/local/include
/usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/include
/usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/../../../../include/g++-3
/usr/lib/gcc-lib/i386-linux/2.95.2/../../../../i386-linux/include

但是如果裝gcc的時候，是有給定的prefix的話，那麼就是

/usr/include
prefix/include
prefix/xxx-xxx-xxx-gnulibc/include
prefix/lib/gcc-lib/xxxx-xxx-xxx-gnulibc/2.8.1/include

所以header file的搜尋會從-I開始然後找gcc的環境變數 C_INCLUDE_PATH,CPLUS_INCLUDE_PATH,OBJC_INCLUDE_PATH 再找上述的內定目錄

當我們用到數學函式cos()，cos這個symbol，gcc並不曉它到底是什麼東西，是變數，是函式，要預留多少空間給他等等，完全沒有任何訊息，你必須標頭檔要#include <math.h>，gcc才知道。而且因為specs這個檔裡面只有要 link -lc也就是只有libc.so這個檔內的symbol會被蒐尋，像printf scanf等都在這裡面，可是像cos()等就沒有了，所以函式庫的選項要多加 -lm ，這時ld才會來找libm這個函式庫，

編譯的時候，gcc會去找-L，再找gcc的環境變數LIBRARY_PATH，再找內定目錄 /lib /usr/lib /usr/local/lib 這是當初compile gcc時寫在程式內的， gcc環境變數與pass給ld的機制在~gcc/gcc/collect2.c下找得到。這上面只是搜尋路徑而已，如果要不加-lm 也能正確的主動搜尋某個特定的lib，例如libm，就要去在specs這個檔案改一下，把math這個函式庫加進自動聯結函式庫之一。就不用寫-lm了。

RUN TIME的時候，如果編譯時沒有指定-static這個選項，其實可執行檔並不是真的可執行，它必須在執行(run time)時需要ld.so來做最後的連結動作，建造一個可執行的 image丟到記憶體。如果是靜態連結，編譯時ld會去找libm.a的檔。如果是動態連結去找libm.so。所以每次有新改版程式，或新加動態函式庫如果不在原本的/etc/ld.so.conf搜尋路徑中，都要把路徑加進來，然後用
ldconfig -v
會重建cache並且顯示它所參照的函式庫。Run Time時ld.so才找得到lib"執行"。 ld與ld.so不一樣喔。

一些重要的程式
ld :Link Editor 連結各obj寫進一個可執行檔(executable)。 ldd :秀出一個執行檔用了那些動態函式庫。 ld.so :Dynamic Linker, 動態連結的話，是由ld.so完成執行時期symbol的 :參照與連結。 ld-linux.so :ELF檔的動態連結，跟ld.so一樣。只是ld.so是給a.out format的。 :新的glicb2的ld-linux.so.2已經跟ld.so.2結合成單一程式了。 ldconfig :根據/etc/ld.so.conf內的目錄，做出動態連結所需的cache檔。
ld 就是負責各個函式庫檔的資訊寫進最後可執行檔(executable)，所以它叫做 link editor，編譯時根據flags -L搜尋需要的lib，gcc也會把他的設定pass下來。 ld.so ld-linux.so.2是負責最後動態連結，叫做dynamic linker， RUN Time 執行程式時,它根據這個順序搜尋函式庫。

LD_LIBRARY_PATH 或LD_AOUT_LIBRARY_PATH環境變數所指的路逕
ldconfig所建立的cache
/lib /usr/lib內的檔

來找程式所需要的動態函式庫

ldconfig會根據/etc/ld.so.conf這個檔的設定，加上內定的兩個目錄 /lib /usr/lib來設定ld.so要用到所需要的連結以及連結的cache到/etc/ld.so.cache。所以如果換了新的函式庫，新的kernel，內部的標頭檔可能會有變化，都要跟著改變讓gcc正確的找到，喔不，應該是cpp, ld, ld.so能正確的找到。不然編出來的執行檔可能是錯誤的，執行時還可能segmentation fault。

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