隐式函数声明和链接

Question

最近我学习了有关C语言中隐式函数声明的知识。主要思想很清楚，但我对这种情况下的链接过程有些困惑。

请考虑以下代码（文件a.c）：

#include <stdio.h>

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

如果我尝试编译它：

gcc -c a.c -std=c99

我看到了一个有关函数 f() 隐式声明的警告。

如果我尝试编译和链接：

gcc a.c -std=c99

我遇到了一个未定义引用错误。但是一切都很好。

然后我添加了另一个文件（文件b.c）：

double f(double x) {
    return x;
}

接下来执行以下命令：

gcc a.c b.c -std=c99

令人惊讶的是，一切都成功地链接了起来。当然，在调用./a.out后，我看到了一些垃圾输出。

那么，我的问题是：如何链接具有隐式声明函数的程序？在编译器/链接器的内部发生了什么？

我阅读了许多关于SO的主题，例如这个，这个和这个，但仍然存在问题。

- Edgar Rokjān

Answer 1

首先，自C99开始，隐式函数声明从标准中移除。编译器可能支持编译旧代码，但这不是必须的。引用标准前言，

remove implicit function declaration

话虽如此，根据C11的第6.5.2.2章节规定，

如果使用的函数没有包含原型类型，且在推广后参数的类型与推广后参数不兼容，则其行为是未定义的。

因此，在您的情况下，

- 函数调用本身是隐式声明（自C99以来变得非标准）， - 由于函数签名不匹配 [隐式声明的函数被认为具有int返回类型]，您的代码会导致未定义行为。

值得一提的是，如果你尝试在同一个编译单元中在调用之后定义该函数，由于签名不匹配，你将会得到编译错误。

然而，由于您的函数定义在单独的编译单元中（并且没有原型声明），编译器无法检查签名。在编译之后，连接器采用对象文件，由于链接器中缺乏任何类型检查（并且对象文件中也没有信息），它将愉快地链接它们。最终，它将以成功的编译和链接以及UB结束。

- Sourav Ghosh

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感谢您提供详细的答案。 - Edgar Rokjān

Answer 2

以下是发生的情况。

1. 如果没有声明f()，编译器会假设一个隐式声明，如int f(void)。然后愉快地编译a.c。
2. 在编译b.c时，编译器没有任何先前对f()的声明，因此它从f()的定义中推断出来。通常情况下，您会将f()的某些声明放在头文件中，并在a.c和b.c中包含它。因为两个文件都看到相同的声明，编译器可以强制执行一致性。它会抱怨不符合声明的实体。但在这种情况下，没有公共原型可供参考。
3. 在C中，编译器不会将有关原型的任何信息存储在目标文件中，链接器也不会执行任何一致性检查（它无法执行）。它所看到的只是a.c中的未解析符号f和在b.c中定义的符号f。它愉快地解决了这些符号，并完成了链接。
4. 尽管运行时会出现问题，因为编译器根据它在那里假定的原型设置了a.c中的调用。这与b.c中的定义不匹配。f()（来自b.c）将从堆栈中获取一个垃圾参数，并将其返回为double，而在a.c中返回时将被解释为int。

- Ziffusion

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我认为编译器在处理隐式声明时会假定int f()而不是int f(void)。 - Edgar Rokjān

我会检查，但考虑到在 a.c 中的调用没有参数，假设 int f(void) 似乎更合理，因为 int f() 表示“任意数量的参数”。 - Ziffusion

隐式声明在现代C中是无效的，而且是未定义行为。只提供隐式声明如int f();，没有像int f(void);这样显式声明标准。编译器在编译b.c时不会“直觉”到函数的原型，也不需要提前定义。函数定义同时也提供了它的原型。如果之前提供了原型，则进行检查。否则，不会进行检查。 "Common prototype"不是一个概念。原型要么可用，要么不可用。这与编译器如何获取信息无关（通过头文件或实际定义等）。 - P.P

虽然（3）和（4）是好的，但在标准中它被定义为未定义行为。 - P.P

@I3x，所有这一切都和问题无关，而且大多数都是挑剔我措辞的方式。但无论如何。 - Ziffusion

Answer 3

“带有隐式声明函数的程序如何链接？在编译器/链接器中，我的示例发生了什么？”

自从 C99 标准以来，“implicit int” 规则已被禁止。因此，具有隐式函数声明的程序是无效的。在 C99 之前，如果没有可见的原型，则编译器会使用返回类型为 int 隐式声明一个原型。

“令人惊讶的是，一切都成功地链接起来了。当然，在 ./a.out 调用后，我看到了垃圾输出。”

这是因为您没有原型，编译器会为 f() 隐式声明一个返回类型为 int 的原型。但是 f() 的实际定义返回一个 double 类型。这两种类型不兼容，这就是未定义行为。

这在C89/C90中甚至是未定义的，其中隐式int规则有效，因为隐式原型与实际类型f()返回不兼容。因此，这个例子（使用a.c和b.c）在所有C标准中都是未定义的。

现在不再有隐式函数声明的用处或有效性。因此，编译器/链接器处理的实际细节只具有历史意义。它追溯到K&R C的预标准时代，当时没有函数原型，并且函数默认返回int。函数原型在C89/C90标准中添加。最重要的是，您必须对所有函数进行原型（或在使用之前定义函数），以使其成为有效的C程序。

- P.P

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这并不完整。问题与隐式声明无关，而是由于链接器对类型一无所知，他找到了一个名为f的函数定义，并适合进行链接。为了防止这样的问题，一些语言使用名称重整来将类型编码到函数的名称中；但在C语言中并非如此。拥有原型并不足够，您需要一致的原型！ - Jean-Baptiste Yunès

@Jean-BaptisteYunès，我已经解释了隐式原型的类型与实际类型不兼容，并因此引发了UB。没有所谓的“一致的原型”。原型是关于函数返回类型和参数类型的完整信息。 - P.P

@i3x 但问题的重点（我认为）是为什么链接完成，以及解释了链接过程的细节。 - Ziffusion

@Jean-BaptisteYunès 是的，在这种情况下，主要的误解是关于链接问题。我先后阅读了Sourav和l3x的答案。所以它们在我的脑海中有些混淆。现在Sourav的答案似乎更完整。 - Edgar Rokjān

@Ziffusion 我的意思是它存在未定义行为，但由于 C 语言的古老规则，已经编译和链接。顺便说一下，我刚刚读了你的回答，它并不完全准确。 - P.P

@i3x 我认为你误解了重点。主要原因是：不一致的原型（隐式声明边界效应）和无类型链接。这两者与“C语言古老规则”无关。 - Jean-Baptiste Yunès

Answer 4

在编译后，所有类型信息都会丢失（除了调试信息，但链接器不会关注它）。唯一剩下的就是“有一个名为“f”的符号位于地址0xdeadbeef”。头文件的作用是告诉C语言关于符号的类型，包括函数需要什么参数和返回值。如果你将实际的类型与声明的类型（无论是显式还是隐式）不匹配，则会得到未定义的行为。

- Colonel Thirty Two