关于C++编译时内链接和外链接

 

最近在阅读《大规模C++ 程序设计》 在第1部分，作者讨论了内链接和外链接问题（因为大规模的C++程序有繁多的类和单元。因此编译速度是个大问题）

这里记录一下关于内链接和外链接的理解。

 

• C++的编译过程

   

  我们以bcb 和 vs 为例，一个程序文档一般都由 .cpp 文件 和 .h文件构成。但编译时，只有.cpp 参与编译。.h文件则会被预编译器复制到引用他的.cpp中。

  然后，.cpp文件被编译成.obj文件。

  接着，通过链接器，将obj文件链接为exe文件。

   

• 链接过程

1. 链接过程中，很重要的步骤，就是判断是否有重复定义。如果有重复定义，则判定为链接失败无法编译完成。

    

2. 另一个重要步骤是，引用外部的定义。比如，在 a.cpp中定义了一个全局变量。b.cpp如果引用了这个全局变量。

   当经过编译分别得到a.obj 和 b.obj, 链接器发现b.obj引用了一个全局变量。则要去其他的.obj文件中搜索这个变量的定义。

   如果没有搜索到，则会报未定义的外部符号。然后无法编译完成。

 

• 外部链接

   

  所谓外部链接，就是被外部引用的符号。这么说太抽象。下面是一个具体的例子：

   

  用vs建立一个VC++的控制台工程。

1. 在stdafx.h中添加

#include
<iostream>

using
namespace std;

 

 

1. 添加 a.cpp 和 b.cpp 源文件。
2. a.cpp代码

#include
"stdafx.h"

 

int nA = 100;

1. b.cpp代码

#include
"stdafx.h"

 

extern
int nA;

 

void printnA()

{

    cout<<nA<<endl;

}

1. 编译代码。

   完全正常，那么链接器在链接b.obj的时候是如何知道这个nA 在哪里定义的呢？

   其本质，是因为我们指定了extern int nA 告诉链接器，这个变量是从外部引用的。

   链接器说：好，我去找找。于是就找到了a.obj。这就是外部链接过程。
   

2. 修改b.cpp

#include
"stdafx.h"

 

//extern int nA;

int nA = 200;

 

void printnA()

{

    cout<<nA<<endl;

}

 

编译时，链接器则会输出错误

错误    1    error LNK2005: "int nA" (?nA@@3HA) 已经在 a.obj 中定义    D: \externtest\externtest\b.obj    externtest

错误    2    error LNK1169: 找到一个或多个多重定义的符号    D：\externtest\Debug\externtest.exe    1    1    externtest

 

这又是为什么呢？ b.cpp 和 a.cpp 中nA 定义冲突了。

 

其本质原因是，在cpp中定义的外部变量，都是要参与外链接的。前面说了链接器会检查有没有重定义。

他现在a.obj中发现了 int nA, 接着又在 b.obj中发现了int Na，重复的外部符号。因此就报错了。

 

• 内部链接

1. 现在，修改b.cpp

#include
"stdafx.h"

 

//extern int nA;

//int nA = 100;

static
int nA = 100;

 

void printnA()

{

    cout<<nA<<endl;

}

 

我们将int nA 声明为静态的。编译链接就完全没有问题。为什么呢？

因为，静态的定义，都是内部链接。因此，链接并不会去检查重复。

（当然，如果在一个.cpp中定义了2个同名的静态变量，编译阶段就通不过,此时是编译器校验而不是链接器校验）

 

1. 再修改b.cpp

#include
"stdafx.h"

 

//extern int nA;

//int nA = 100;

extern
int nA;

static
int nA = 100;

 

void printnA()

{

    cout<<"nA in b.cpp"<<nA<<endl;

}

 

再修改a.cpp

#include
"stdafx.h"

 

int nA = 300;

 

void PrintnA2()

{

    cout<<"nA in a.cpp"<<nA<<endl;

}

 

修改main函数

void printnA();

void PrintnA2();

 

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    printnA();

    PrintnA2();

    return 0;

}

 

得到这样的结果

 

 

这时的情况是：b.cpp中外部引用了一个nA，还定义了一个静态内部Na.

但并不冲突，事实情况是，在b.cpp中凡是引用nA的地方，都引用的内部nA，既static 声明的nA

在a.cpp中，则依然是引用的全局的Na.

 

我们可以看到，c++ 对于同时存在内部和外部同名符号时，只认内部符号。

• 函数的内，外链接

1. 其实我们通过上面第8个例子，已经看到了。函数默认是外部链接的。而且可以不加extern 关键字。但是加了extern关键字也不错。

   我们修改main.cpp 用extern声明完全没有问题。

    

 

#include
"stdafx.h"

 

void printnA();

void PrintnA2();

//void printnA3();

extern
void printnA3();

 

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    printnA();

    PrintnA2();

    printnA3();

    return 0;

}

 

 

这说明，函数也是外部链接的。只要声明了函数，链接器就去其他的obj中查找外部引用。

1. 我们修改b.cpp,加入一个静态的printnA4

#include
"stdafx.h"

 

//extern int nA;

//int nA = 100;

extern
int nA;

static
int nA = 100;

 

void printnA()

{

    cout<<"nA in b.cpp"<<nA<<endl;

}

 

void printnA3()

{

    cout<<"::nA in b.cpp"<<::nA<<endl;

}

 

static

void printnA4()

{

    cout<<"static printnA4 in b.cpp"<<::nA<<endl;    

}

 

接着修改 main.cpp

 

#include
"stdafx.h"

 

void printnA();

void PrintnA2();

//void printnA3();

extern
void printnA3();

void printnA4();

 

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    printnA();

    PrintnA2();

    printnA3();

    printnA4();

    return 0;

}

 

    编译，我们会得到一个报错

    

 

当我们把 b.cpp中的static注释，又会恢复正常。

 

和静态定义的变量一样。静态的函数也是内链接的。并不会被外链接访问（可以这么理解，当声明一个函数为static,就不想让外部（其他的obj）访问他）

 

1. 继续修改b.Cpp，添加一个inline函数 printnA5 (为排除干扰，将10例子中的static注释掉)

   请注意 ::nA 这个写法，在b.cpp中并不会因为写了::nA 就访问去全局的nA了

#include
"stdafx.h"

 

//extern int nA;

//int nA = 100;

extern
int nA;

static
int nA = 100;

 

void printnA()

{

    cout<<"nA in b.cpp"<<nA<<endl;

}

 

void printnA3()

{

    cout<<"::nA in b.cpp"<<::nA<<endl;

}

 

//static

void printnA4()

{

    cout<<"static printnA4 in b.cpp"<<::nA<<endl;    

}

 

inline
void printnA5()

{

    cout<<"inline printnA5 in b.cpp"<<::nA<<endl;

}

 

 

同样，在main.cpp中去引用printnA5

 

#include
"stdafx.h"

 

void printnA();

void PrintnA2();

//void printnA3();

extern
void printnA3();

void printnA4();

void printnA5();

 

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    printnA();

    PrintnA2();

    printnA3();

    printnA4();

    printnA5();

    return 0;

}

 

同样得到链接错误

 

这说明内联函数，也是无法参与外链接的。

• 总结

   

  我们现在没有涉及类。仅仅涉及了C中的一些特性。但已经知道了什么内链接和外链接。

   

  我的理解是：外链接就是要让连接器去其他的obj中查找符号的引用行为。内链接则是不需要链接器去其他obj查找的引用行为。

   

   

  会发生外链接的行为（涉及到类之后，会有更多情况，这里只是一部分）

   

  • 引用了其他cpp中定义的全局变量。
  • 引用了其他cpp中定义的 非静态，非内联函数。

 

仅内链接的行为

• 静态的变量
• 静态函数
• 内联函数