举例讲解C语言链接器的符号解析机制

1. 符号分类
（1）全局符号：非静态全局变量，非静态函数
（2）外部符号：定义于其它模块，而被本模块引用的全局变量和函数
（3）本地符号：静态变量(包括全局和局部)，静态函数
对于静态局部变量，编译器会为其生成唯一的名字。如x.fun1，x.fun2。本地符号对链接器来说是不可见的。
2. 符号决议
当编译器遇到一个不是本模块定义的符号时，会假设该函数由其它模块定义，并生成一个链接器符号表条目，交由链接器处理。如果链接器在它的任何输入模块都没有找到该符号，会给出一个类似undefined reference to 'xxx'的链接错误。而如果链接器在输入模块中找到了一个以上的外部符号定义，这个时候就需要链接器进行符号决议，链接器对多个外部符号定义可能并不报错甚至警告，而是按照它的规则去选择其中一个符号定义。
链接器将各个模块输出的全局符号，分类为强符号和弱符号：
（1）强符号：函数和已初始化的全局变量
（2）弱符号：为初始化全局变量
根据强弱符号的定义，链接器按照下面的规则处理多重定义的符号：
规则1：不允许有多个强符号定义
规则2：如果有一个强符号和多个弱符号，那么选择强符号
规则3：如果有多个弱符号，那么从这些弱符号中选择sizeof大的那个，如果大小相同，则选择先链接的那个
上面的规则是很多链接错误的根源，因为编译器在决议时可能默默地替你作出了决定，你并不知晓。根据上面的规则，可以引出下面几个经典例子：
例1：

// in lib1.c
int x;
void f()
{
  x = 1235;
}

// in main1.c
#include<stdio.h>
void f(void);

int x = 1234;

int main(void)
{
  f();
  printf("x=%d\n", x);
  return 0;
}

上面的代码中，main函数printf输出： x=1235。因为链接器通过规则2决议符号x的定义为main.c中的强符号定义，而lib.c的作者并不知情，他对x的使用和修改影响到了main.c。这种交互修改，相互影响将会很复杂，因为大家都以为自己在做对的事情，在用对的变量。而整个决议过程，链接器悄无声息地完成了。
例2：

// in lib2.c
double x;
void f()
{
  x = -0.0;
}

// in main2.c
#include<stdio.h>
void f(void);

int x = 1234;
int y = 1235;

int main()
{
  f();
  printf("x=0x%x y=0x%x \n", x, y);
  return 0;
}

这种情况下，程序得到输出： x=0x0 y=0x80000000，而链接器(gcc ld)也终于给出一条警告：

ld: warning: tentative definition of '_x' with size 8 from 'obj/Debug/lib2.o' is being replaced by real definition of smaller size 4 from 'obj/Debug/main2.o'

// in lib3.c
struct
{
  int a;
  int b;
} x;

void f()
{
  x.a = 123;
  x.b = 456;
  printf("in f(): sizeof(x)=%d, (&x)=0x%08x\n", sizeof(x), &x);
}

// in main3.c
#include<stdio.h>
void f(void);

int x;
int y;

int main()
{
  f();
  printf("in main(): sizeof(x)=%d, (&x)=0x%08x, (&x)=0x%08x, x=%d,y=%d \n", sizeof(x), &x, &y, x, y);
  return 0;
}

程序输出：

in f(): sizeof(x)=8, (&x)=0x02489018
in main(): sizeof(x)=4, (&x)=0x02489018, (&y)=0x02489020, x=123,y=0

始终记住，外部符号决议的是地址，因此无论lib3.c和main3.c中，符号x地址都是唯一的，无论其被定义了几次。其次sizeof是编译器决议，与链接无关，编译器只看得到本模块的定义或声明。最后，由于符号x决议到lib3.c中的x，其size是8，因此main3.c中的y的地址比x大8，这是由链接器将lib3.o和main3.o合并后填入可执行文件的.data段的。因此y是无关变量，被初始化为0，注意和例2的区别。
3. 总结
由于符号决议容易引发的种种问题，我们在写C的时候应注意：
尽量用static属性隐藏变量和函数在模块内的声明，就像在C++中尽量用private保护类私有成员一样。
少定义弱符号，尽量初始化全局变量，这样链接器会根据规则1给出多个符号定义的错误。
为链接器设置必要选项，如gcc的 -fno-common，这样在遇到多重符号定义时，链接器会给出警告。
4. C++的符号决议
C++并不支持强弱符号同时存在，所有符号都只能有一个定义(函数重载通过改写函数符号来确保其唯一)，因此在很大程度上避免了C中的链接器困扰。