链接顺序依赖导致未定义符号的问题

最近遇到一个问题,有两个底层依赖模块,分别是dep1和dep2。在dep1中有调用dep2的代码。本地开发完毕后,合入分支编译报错 提示符号未定义。但是,本地编译是正常的,在新的分支编译就会报错。于是,开始排查。

第一步发现,本地对应的分支dep1和dep2是使用动态库连接的,合入的分支的dep1和dep2是使用静态库连接的。问题大致因此导致的。

进一步查看Makefile,检查链接规则,发现在可执行文件链接的时候 是先链接 -ldep2 再链接-ldep1。问题进一步明确了,是由于连接的顺序导致的。新的代码是中dep1依赖dep2,但是链接的顺序是先dep2,然后dep1。问题的范围缩小,大概是因为链接的顺序导致的。

查了一下gcc ld的链接规则,ld查询符号的规则是顺序往后找,发现未定义的符号就放在一个集合u中。ld的规则并不会往前去查找,比如在dep1中发现了未定义的符号func(定义在dep2中), 此时已经扫描过dep2了,不会再往前去查找了。因此,就会出现符号找不到的问题。

也就是说对于日常命令行编译命令,一般从左到右分别是可执行文件 -->> 高级库 -->>底层库 ,避免循环依赖;越是底层的库,越是往后面写,可以参考下述命令通式:

g++ ... obj($?) -l(上层逻辑lib) -l(中间封装lib) -l(基础lib) -l(系统lib) -o $@

自我分析的非常合理,写个例子验证下。目录的结构如下,func_a.cfunc_b.c是两个底层库,func_a中的函数调用func_b中的函数(func_a 依赖于func_b),然后分别将func_a和func_b打包为静态库,进行编译。通过执行不同的编译顺序,查看是否可以编译成功。

tree                                                                                                                                                                                                                    
.
|-- func_a.c
|-- func_b.c
`-- main.cpp

几个文件内容如下:

$ cat func_a.c                                                                                                                                                                                                            
#include <stdio.h>

int func_b();

int func_a()
{
    printf("enter func_a");
    func_b();
    return 0;
}%                                                                                                                                                                                                                                                                        

$ cat func_b.c                                                                                                                                                                                                            
#include <stdio.h>

int func_b()
{
    printf("enter func_b");
    return 0;
}%  

$ cat main.cpp                                                                                                                                                                                                            
#include <stdio.h>
int func_a();

int main()
{
    func_a();
    return 0;
}%                                                      

写一个构建脚本

# 生成.o文件
g++ -c func_a.c
g++ -c func_b.c
g++ -c main.cpp

# 打包为静态库
ar -rc func_a.a func_a.o
ar -rc func_b.a func_b.o

# 链接
g++ -o main_a1 main.o func_a.a func_b.a    # 执行成功,编译出main_a1

# 交换一下链接静态库的顺序后,编译失败
g++ -o main_a2 main.o func_b.a func_a.a    # 执行失败

那问题到这步就已经定位了,问题的原因是静态库的链接顺序导致的。

那么,怎么解决这个问题呢?想到了几个办法,分别是:

  1. 交换一下顺序,让更高层的模块放在前面
  2. 提取耦合公共依赖,形成一个新的库,链接的时候,放在最后面。
  3. 看看gcc能不能显示的指定一下(或者自己寻找一下依赖关系)

进一步分析一下每个办法的利弊:

  • 第一个办法,肯定是最简单的。但是,如果出现了dep1和dep2相互依赖的情况,要如何解决的?究竟要把谁放在前面?为了应对这种情况,也是有个操作,就是先链接dep1,再链接dep2,再次链接dep1。类似于下面命令这种,虽然比较硬核,但是也没毛病,可以解决问题。
g++ xxx -ldep1 -ldep2 -ldep1
  • 第二个办法,也是一个办法。相互独立的模块,理论上不应该相互依赖。

  • 第三个办法,查了一下gcc可以通过指定参数start-group和end-group做到这一点。这应该是最优雅的办法了。

# 无论什么顺序,都可以编译成功
g++ -o main_a3 main.o -Wl,--start-group func_b.a func_a.a -Wl,--end-group
g++ -o main_a4 main.o -Wl,--start-group func_a.a func_b.a -Wl,--end-group

还有一个问题,为什么另外一个分支上,用动态库链接就没问题呢?为什么动态库就不需要制定链接的顺序?

写了一个脚本验证了一下,动态库果然不会出现依赖顺序的问题。无论先链接libfunca 还是libfuncb,程序都是正常的运行。

g++ func_a.c -o libfunca.so -shared -fPIC
g++ func_b.c -o libfuncb.so -shared -fPIC

g++ -o main1_so main.cpp -L. -lfunca -lfuncb    # 先liba 再libb 成功
g++ -o main2_so main.cpp -L. -lfuncb -lfunca    # 先libb 再liba 成功

好吧,看到动态库似乎不会出现这种问题。那问题就到这里结案了。

小结:

  • 静态库链接会有顺序问题,链接顺序要从高层到底层来写。尽量避免顺序问题。
  • 如果已经出现了,无法避免,可以利用gcc的参数start-group和end-group让链接器自己寻找顺序

关于静态库和动态库连接顺序的另外一个问题:

  • 如果liba.alibb.b中有同一个符号,那么链接的时候,会怎么样?
  • 如果liba.solibb.so 中有同一个符号,那么链接的时候,会怎么样?
$ cat func_a.c                                                                                   
int test()
{
    printf("func A :: test() \n");
    return 0;
}%                  

$ cat func_b.c                              
#include <stdio.h>

int test()
{
    printf("func B :: test() \n");
    return 0;
}%           

$ cat main.cpp                              
#include <stdio.h>

int test();
int main()
{
    test();
    return 0;
}%                                                                                                                           

分贝打包为静态库和动态库,进行构建:

静态库:

g++ -c func_a.c
g++ -c func_b.c
g++ -c main.cpp

ar -rc func_a.a func_a.o
ar -rc func_b.a func_b.o

g++ -o main_a1 main.o func_a.a func_b.a
g++ -o main_a2 main.o func_b.a func_a.a

动态库:

g++ func_a.c -o libfunca.so -shared -fPIC
g++ func_b.c -o libfuncb.so -shared -fPIC

g++ -o main1_so main.cpp -L. -lfunca -lfuncb
g++ -o main2_so main.cpp -L. -lfuncb -lfunca

静态库连接的时候,会提示错误。动态库则不会。动态库链接的时候会找放在最前面的库的符号最为匹配对象。因此,不同的链接顺序,程序的输出也不一样。

g++ -o main_a1 main.o func_a.a func_b.a
func_b.a(func_b.o): In function `test()':
func_b.c:(.text+0x1a): multiple definition of `test()'
func_a.a(func_a.o):func_a.c:(.text+0x1f): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status

g++ -o main_a2 main.o func_b.a func_a.a
func_a.a(func_a.o): In function `func_a()':
func_a.c:(.text+0x14): undefined reference to `func_b()'
collect2: error: ld returned 1 exit status
g++ -o main1_so main.cpp -L. -lfunca -lfuncb
g++ -o main2_so main.cpp -L. -lfuncb -lfunca

./main1_so                    
func A :: test() 

./main2_so                                
func B :: test() 
  • 小结
    对于同名的符号,如果使用静态库链接,会提示重定义的错误;如果使用动态库连接,会匹配第一个遇到的库中的符号;
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