Perché devi collegare la libreria matematica in C?

Question

Se includo <stdlib.h> o <stdio.h> in un programma C non dover collegare questi durante la compilazione, ma devo collegare a <math.h>, utilizzando -lm con gcc, per esempio:

gcc test.c -o test -lm 

Qual è la ragione per questo? Perché devo collegare esplicitamente la libreria matematica ma non le altre librerie?

Answer 1

Le funzioni in stdlib.h e stdio.h hanno implementazioni in libc.so (o libc.a per collegamento statico), che è collegato al tuo eseguibile di default (come se fosse -lc specificato). GCC può essere istruito per evitare questo collegamento automatico con le opzioni -nostdlib o -nodefaultlibs.

Le funzioni matematiche in math.h hanno implementazioni in libm.so (o libm.a per collegamento statico), e libm non sia collegata in per impostazione predefinita. Esistono motivi storici per questa suddivisione libm/libc, nessuno dei quali molto convincente.

È interessante notare che il runtime libstdc++ C++ richiede libm, quindi se si compila un programma C++ con GCC (g++), si verrà automaticamente ottenere libm collegato in.

Answer 2

stdio fa parte della libreria C standard che, per impostazione predefinita, verrà collegata a gcc.

Le implementazioni della funzione matematica si trovano in un file libm separato che non è collegato per impostazione predefinita, quindi è necessario specificarlo -lm. A proposito, non esiste alcuna relazione tra questi file di intestazione e file di libreria.

Answer 3

Penso che sia un po 'arbitrario. Devi disegnare una linea da qualche parte (quali librerie sono predefinite e quali devono essere specificate).

Ti dà la possibilità di sostituirlo con un altro che ha le stesse funzioni, ma non penso che sia molto comune farlo.

MODIFICA: (dai miei commenti): Penso che gcc lo faccia per mantenere la retrocompatibilità con il cc originale. La mia ipotesi sul perché cc lo fa a causa del tempo di costruzione - cc è stato scritto per macchine con molto meno potere di quello che abbiamo ora. Molti programmi non hanno calcoli matematici a virgola mobile e probabilmente hanno preso tutte le librerie che non erano comunemente utilizzate al di fuori del default. Immagino che il tempo di costruzione del sistema operativo UNIX e gli strumenti che lo accompagnano siano stati la forza trainante.

Answer 4

Vorrei indovinare che è un modo per rendere leggermente migliori le app che non la usano affatto. Ecco il mio pensiero su questo.

I sistemi operativi x86 (e immagino altri) devono memorizzare lo stato della FPU sull'interruttore di contesto. Tuttavia, la maggior parte dei sistemi operativi si preoccupa solo di salvare/ripristinare questo stato dopo che l'app tenta di utilizzare la FPU per la prima volta.

In aggiunta a questo, c'è probabilmente un codice di base nella libreria matematica che imposterà la FPU in uno stato di base sensato quando la libreria viene caricata.

Quindi, se non si collega affatto alcun codice matematico, niente di tutto ciò accadrà, quindi il sistema operativo non deve salvare/ripristinare alcuno stato FPU, rendendo gli switch di contesto leggermente più efficienti.

Solo un'ipotesi però.

EDIT: in risposta ad alcuni dei commenti, la stessa premessa di base si applica ancora ai casi non FPU (la premessa è che era di rendere le applicazioni che non si avvalgono libm eseguire un po 'meglio). Ad esempio, se c'è una FPU soft che era simile ai primi giorni di C. Quindi avere libm separato potrebbe impedire di inserire un codice molto grande (e lento se usato) da inutilmente collegato.

Inoltre, se è disponibile solo il collegamento statico, si applica un argomento simile che manterrebbe le dimensioni eseguibili e i tempi di compilazione.

Answer 5

Esiste una discussione approfondita sul collegamento alle librerie esterne in An Introduction to GCC - Linking with external libraries. Se una libreria è un membro delle librerie standard (come stdio), non è necessario specificare il compilatore (in realtà il linker) per collegarle.

EDIT: Dopo aver letto alcune delle altre risposte e commenti, penso che il libc.a reference e il riferimento di libm che collega ad entrambi hanno molto da dire sul motivo per cui i due sono separati.

Si noti che molte delle funzioni di 'libm.a' (la libreria matematica) sono definiti 'math.h', ma non sono presenti in libc.a. Alcuni sono, che potrebbero confondersi, ma la regola generale è questa: la libreria C contiene quelle funzioni che i dettati ANSI devono esistere, quindi non è necessario il -lm se si utilizzano solo funzioni ANSI. Al contrario, `libm.a 'contiene più funzioni e supporta funzionalità aggiuntive come la richiamata matherr e la conformità a diversi standard di comportamento alternativi in ​​caso di errori FP. Vedi la sezione libm, per maggiori dettagli.

Answer 6

Se metto stdlib.h o stdio.h , non ho a collegare quelli ma devo collegare quando compilo:

stdlib.h, stdio.h sono i file di intestazione. Li includi per la tua convenienza. Prevedono solo quali simboli saranno disponibili se si collega alla libreria corretta. Le implementazioni sono nei file della libreria, è qui che le funzioni vivono davvero.

Includere math.h è solo il primo passaggio per accedere a tutte le funzioni matematiche.

Inoltre, non è necessario eseguire il collegamento con libm se non si utilizzano le sue funzioni, anche se si fa un #include <math.h> che è solo un passaggio informativo per il compilatore relativo ai simboli.

stdlib.h, stdio.h fare riferimento alle funzioni disponibili in libc, che risulta essere sempre collegato in modo che l'utente non debba farlo da sé.

Answer 7

Ricordare che C è un linguaggio vecchio e che le FPU sono un fenomeno relativamente recente. Ho visto per la prima volta C su processori a 8 bit dove era molto lavoro fare anche aritmetica a 32 bit interi. Molte di queste implementazioni non hanno nemmeno una libreria matematica a virgola mobile disponibile!

Anche sulle prime 68000 macchine (Mac, Atari ST, Amiga), i coprocessori a virgola mobile erano spesso costosi add-on.

Per eseguire tutta la matematica in virgola mobile, era necessaria una libreria abbastanza grande. E la matematica sarebbe stata lenta. Quindi hai usato raramente dei galleggianti. Hai provato a fare tutto con numeri interi o interi in scala. Quando hai dovuto includere matematica.h, hai stretto i denti. Spesso, scriveresti le tue approssimazioni e le tabelle di ricerca per evitarlo.

I trade-off esistevano da molto tempo. A volte c'erano pacchetti di matematica in competizione chiamati "fastmath" o simili. Qual è la migliore soluzione per la matematica? Cose davvero accurate ma lente? Impreciso ma veloce? Grandi tabelle per le funzioni trigonometriche? Non è stato fino a quando i coprocessori sono stati garantiti nel computer che la maggior parte delle implementazioni è diventato evidente. Immagino che ci sia qualche programmatore là fuori da qualche parte in questo momento, lavorando su un chip embedded, cercando di decidere se portare la libreria matematica per gestire qualche problema di matematica.

Ecco perché la matematica non era standard. Molti o forse la maggior parte dei programmi non ha utilizzato un singolo float. Se le FPU fossero sempre state in circolazione e fluttuanti e doppi fossero sempre a buon mercato su cui operare, senza dubbio ci sarebbe stato un "stdmath".

Answer 8

Come diceva l'effimero, la libreria C libc è collegata per impostazione predefinita e questa libreria contiene le implementazioni di stdlib.h, stdio.h e diversi altri file di intestazione standard. Giusto per aggiungere ad essa, secondo il comando "An Introduction to GCC" linker per un programma di base "Ciao Mondo" in C è il seguente:

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 

Avviso l'opzione -lc nella terza linea che collega la C biblioteca.

Answer 9

Una spiegazione è data here:

Così, se il programma utilizza funzioni matematiche e comprendente math.h, allora avete bisogno di collegare esplicitamente la libreria matematica passando la bandiera -lm. La ragione di questa particolare separazione è che i matematici sono molto schizzinosi riguardo al modo in cui viene calcolata la loro matematica e potrebbero voler utilizzare la propria implementazione delle funzioni matematiche invece dell'implementazione standard. Se le funzioni matematiche fossero raggruppate in libc.a, non sarebbe possibile farlo.

[Edit]

non sono sicuro sono d'accordo con questo, però. Se hai una libreria che fornisce, per esempio, sqrt() e la passi prima della libreria standard, un linker Unix prenderà la tua versione, giusto?