Mengapa Anda harus menautkan perpustakaan matematika di C?

Jika saya memasukkan <stdlib.h>atau <stdio.h>dalam program C saya tidak harus menautkan ini saat kompilasi tetapi saya harus menautkannya <math.h>, menggunakan -lmdengan gcc, misalnya:

gcc test.c -o test -lm

Apa alasannya? Mengapa saya harus secara eksplisit menghubungkan perpustakaan matematika tetapi tidak dengan perpustakaan lain?

Fungsi-fungsi di stdlib.hdan stdio.hmemiliki implementasi di libc.so(atau libc.auntuk menghubungkan statis), yang terhubung ke dieksekusi Anda secara default (seolah-olah -lcditentukan). GCC dapat diinstruksikan untuk menghindari tautan otomatis ini dengan -nostdlibatau -nodefaultlibsopsi.

Fungsi matematika di math.hmemiliki implementasi dalam libm.so(atau libm.auntuk tautan statis), dan libmtidak terhubung secara default. Ada alasan historis untuk ini libm/ libcsplit, tidak satupun dari mereka yang sangat meyakinkan.

Menariknya, runtime C ++ libstdc++memerlukan libm, jadi jika Anda mengkompilasi program C ++ dengan GCC ( g++), Anda akan secara otomatis libmterhubung.

Ingatlah bahwa C adalah bahasa lama dan bahwa FPU adalah fenomena yang relatif baru. Saya pertama kali melihat C pada prosesor 8-bit di mana itu banyak pekerjaan untuk melakukan bahkan aritmatika integer 32-bit. Banyak dari implementasi ini bahkan tidak memiliki perpustakaan matematika floating point!

Bahkan pada 68.000 mesin pertama (Mac, Atari ST, Amiga), coprocessor floating point seringkali merupakan pengaya yang mahal.

Untuk melakukan semua matematika floating point itu, Anda membutuhkan perpustakaan yang cukup besar. Dan perhitungannya akan lambat. Jadi, Anda jarang menggunakan pelampung. Anda mencoba melakukan segalanya dengan bilangan bulat atau bilangan bulat berskala. Ketika Anda harus memasukkan matematika. H, Anda mengertakkan gigi. Seringkali, Anda akan menulis perkiraan Anda sendiri dan tabel pencarian untuk menghindarinya.

Pertukaran ada untuk waktu yang lama. Terkadang ada paket matematika yang bersaing yang disebut "fastmath" atau semacamnya. Apa solusi terbaik untuk matematika? Benar-benar akurat tetapi lambat? Tidak akurat tetapi cepat? Tabel besar untuk fungsi trigonometri? Tidak sampai coprocessor dijamin berada di komputer yang implementasi paling jelas. Saya membayangkan ada beberapa programmer di luar sana saat ini, bekerja pada chip yang tertanam, mencoba memutuskan apakah akan membawa perpustakaan matematika untuk menangani beberapa masalah matematika.

Itu sebabnya matematika tidak standar . Banyak atau mungkin sebagian besar program tidak menggunakan float tunggal. Jika FPU selalu ada dan mengapung dan ganda selalu murah untuk beroperasi, tidak diragukan lagi akan ada "stdmath".

Karena praktik sejarah konyol yang tak seorang pun mau memperbaikinya. Menggabungkan semua fungsi yang diperlukan oleh C dan POSIX ke dalam satu file library tidak hanya akan menghindari pertanyaan ini ditanyakan berulang-ulang, tetapi juga akan menghemat banyak waktu dan memori ketika menghubungkan dinamis, karena setiap .sofile yang ditautkan memerlukan operasi sistem file untuk mencari dan menemukannya, dan beberapa halaman untuk variabel statis, relokasi, dll.

Sebuah implementasi di mana semua fungsi dalam satu perpustakaan dan -lm, -lpthread, -lrt, dll pilihan semua ada-ops (atau link ke kosong .afile) yang sempurna POSIX conformant dan tentu lebih.

Catatan: Saya sedang berbicara tentang POSIX karena C sendiri tidak menentukan apa-apa tentang bagaimana kompiler dipanggil. Dengan demikian Anda bisa memperlakukan gcc -std=c99 -lmsebagai cara khusus implementasi yang harus dipanggil oleh kompiler untuk perilaku konforman.

Karena time()dan beberapa fungsi lain builtindidefinisikan di C library ( libc) itu sendiri dan GCC selalu menautkan ke libc kecuali Anda menggunakan -ffreestandingopsi kompilasi. Namun fungsi matematika hidup di libmmana tidak secara implisit dihubungkan oleh gcc.

Penjelasan diberikan di sini :

Jadi, jika program Anda menggunakan fungsi matematika dan termasuk math.h, maka Anda harus secara eksplisit menghubungkan perpustakaan matematika dengan melewati -lmbendera. Alasan pemisahan khusus ini adalah bahwa matematikawan sangat pilih-pilih tentang cara matematika mereka dihitung dan mereka mungkin ingin menggunakan implementasi mereka sendiri dari fungsi matematika bukannya implementasi standar. Jika fungsi matematika disatukan ke libc.adalamnya, itu tidak mungkin dilakukan.

[Sunting]

Tapi saya tidak yakin saya setuju dengan ini. Jika Anda memiliki perpustakaan yang menyediakan, katakan,, sqrt()dan Anda meneruskannya sebelum perpustakaan standar, penghubung Unix akan mengambil versi Anda, bukan?

Ada diskusi menyeluruh tentang penautan ke perpustakaan eksternal di An Pengantar GCC - Menghubungkan dengan perpustakaan eksternal . Jika perpustakaan adalah anggota dari perpustakaan standar (seperti stdio), maka Anda tidak perlu menentukan ke kompiler (benar-benar penghubung) untuk menautkannya.

EDIT: Setelah membaca beberapa jawaban dan komentar yang lain, saya pikir referensi libc.a dan referensi libm yang terhubung ke keduanya memiliki banyak pendapat tentang mengapa keduanya terpisah.

Perhatikan bahwa banyak fungsi di 'libm.a' (perpustakaan matematika) didefinisikan dalam 'math.h' tetapi tidak ada di libc.a. Beberapa di antaranya, yang mungkin membingungkan, tetapi aturan praktisnya adalah ini - pustaka C berisi fungsi-fungsi yang harus ada dalam ANSI, sehingga Anda tidak memerlukan -lm jika Anda hanya menggunakan fungsi ANSI. Sebaliknya, `libm.a 'mengandung lebih banyak fungsi dan mendukung fungsionalitas tambahan seperti panggilan balik matherr dan kepatuhan terhadap beberapa standar perilaku alternatif jika terjadi kesalahan FP. Lihat bagian libm, untuk lebih jelasnya.

Seperti kata ephemient, libc perpustakaan C dihubungkan secara default dan perpustakaan ini berisi implementasi stdlib.h, stdio.h dan beberapa file header standar lainnya. Hanya untuk menambahkannya, menurut " An Introduction to GCC " perintah linker untuk program dasar "Hello World" di C adalah sebagai berikut:

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

Perhatikan opsi -lc di baris ketiga yang menghubungkan perpustakaan C.

Saya pikir itu agak sewenang-wenang. Anda harus menggambar garis di suatu tempat (perpustakaan mana yang default dan yang perlu ditentukan).

Ini memberi Anda kesempatan untuk menggantinya dengan yang berbeda yang memiliki fungsi yang sama, tetapi saya tidak berpikir itu sangat umum untuk melakukannya.

EDIT: (dari komentar saya sendiri): Saya pikir gcc melakukan ini untuk menjaga kompatibilitas dengan cc asli. Dugaan saya mengapa cc melakukan ini adalah karena waktu pembuatan - cc ditulis untuk mesin dengan daya yang jauh lebih sedikit daripada yang kita miliki sekarang. Banyak program tidak memiliki matematika floating-point dan mereka mungkin mengambil setiap perpustakaan yang biasanya tidak digunakan dari default. Saya menduga bahwa waktu pembuatan OS UNIX dan alat-alat yang menyertainya adalah kekuatan pendorong.

Jika saya meletakkan stdlib.h atau stdio.h, saya tidak harus menautkannya tetapi saya harus menautkannya ketika saya kompilasi:

stdlib.h, stdio.hadalah file header. Anda memasukkannya untuk kenyamanan Anda. Mereka hanya memperkirakan simbol apa yang akan tersedia jika Anda menautkan di perpustakaan yang tepat. Implementasinya ada di file library, di situlah fungsi tersebut benar-benar hidup.

Termasuk math.hhanyalah langkah pertama untuk mendapatkan akses ke semua fungsi matematika.

Juga, Anda tidak perlu menautkan libmjika Anda tidak menggunakan fungsi-fungsinya, bahkan jika Anda melakukan #include <math.h>yang hanya merupakan langkah informasi bagi Anda, untuk kompiler tentang simbol.

stdlib.h, stdio.hlihat fungsi yang tersedia di libc, yang kebetulan selalu ditautkan sehingga pengguna tidak harus melakukannya sendiri.

stdio adalah bagian dari pustaka C standar yang, secara default, gcc akan terhubung.

Implementasi fungsi matematika berada dalam file libm terpisah yang tidak ditautkan secara default sehingga Anda harus menentukannya -lm. Omong-omong, tidak ada hubungan antara file header dan file library.

Saya kira itu adalah cara untuk membuat aplikasi yang tidak menggunakannya sama sekali berfungsi sedikit lebih baik. Inilah pemikiran saya tentang ini.

OS x86 (dan saya bayangkan orang lain) perlu menyimpan status FPU pada sakelar konteks. Namun, sebagian besar OS hanya repot untuk menyimpan / mengembalikan keadaan ini setelah aplikasi mencoba menggunakan FPU untuk pertama kalinya.

Selain itu, mungkin ada beberapa kode dasar di perpustakaan matematika yang akan mengatur FPU ke keadaan dasar yang waras ketika perpustakaan dimuat.

Jadi, jika Anda tidak menautkan kode matematika sama sekali, semua ini tidak akan terjadi, oleh karena itu OS tidak harus menyimpan / mengembalikan keadaan FPU sama sekali, membuat konteks beralih sedikit lebih efisien.

Tapi tebak saja.

EDIT: dalam menanggapi beberapa komentar, premis dasar yang sama masih berlaku untuk kasus-kasus non-FPU (premisnya adalah membuat aplikasi yang tidak menggunakan libm berkinerja sedikit lebih baik).

Sebagai contoh, jika ada soft-FPU yang likley pada hari-hari awal C. Kemudian memiliki libm terpisah dapat mencegah banyak kode besar (dan lambat jika digunakan) dari yang tidak perlu terhubung.

Selain itu, jika hanya ada tautan statis yang tersedia, maka argumen yang sama berlaku bahwa itu akan menjaga ukuran yang dapat dieksekusi dan kompilasi kali turun.