C++ ：Symbol：符号

1：符号的概念

符号（symbol）是在 ELF格式中会遇到的概念，也就是在写汇编代码时候会遇到的，而在更高级语言（C或者C++）中不会直接遇到这个概念，我们把讨论的范围限制在 Linux上的ELF格式。

符号的绑定（Symbol Binding）符号和符号之间是不一样的，首先我们明确，链接器的任务是把很多个.o文件（object file）组合到一起，因为一个符号可能在某一个 object file中定义了，而在另一个object file 中使用了，链接器的任务就是把这些 reference都分析清楚。

常见的符号有三种类型：

1. Local Symbol : 只有当前object file 文件才能看见，其他别的 object file看不到
2. Global Symbol : 所有 object file 里都能看见，全局只能有一个
3. Weak Symbol : 所有Object file 里都能看见，全局可以有很多，但最后只保留一个，如果有同名Global Symbal，就只留下 Global Symbol

看下面一个例子：

// 我们在 symbol.cpp 源文件中定义一个函数 func
symbol.cpp
 
int func() {
	return 1;
}

 经过 gcc -c -S main.cpp -o maini.o 命令编译后生成 main.o文件  //  然后 cat main.o 得到上面汇编代码

可以看到 函数名称 func就是一个符号，如果想要调用这个函数，就可以利用这个函数的符号

有人说，汇编后的代码没有看到 func 符号，其实这是C++s实现了函数的重载

2：符号的链接

 下面在介绍下，在链接中可能会出现问题。看下面的代码

 // a.h
#pragma once
int func(){
    return 0;
}
 
 
// A.cpp
 
#include"a.h"
void printl_Fun() {
	func();
}
 
// main.cpp
 
 
#include"a.h"
 
int main() {
	func();
	return 0;
}

很显然：如果你编译两个.cpp文件，那么就是在编译 A.cpp和main.cpp的时候分别生成 Global Symbol  （func） ，这样在链接的时候就会报错： func 重定义

2.1：编译A.cpp

 2.2 编译main.cpp

 2.3 将A.o 和 main.o 编译后的产物链接起来

 显然报错了：multipe definition of 'func()' 重复定义函数 func()

3: 解决multipe definition问题

3.1  只在一个翻译单元中给出函数的定义，这样的话就只有一个 Global Symbol生成，就不会有问题

// A.h
#pragma once
int func();
 
// A.cpp
 
#include"a.h"
int func()
{
	return 0;
}
 
 
// main.cpp
 
#include
#include"a.h"
 
int main() {
	int ret = func();
	std::cout << ret << std::endl;
	return 0;
}

看下预编译和编译成汇编的结果：在main.o中是看不到 全局符号（global symbol） func的

 在看下 A.o的汇编结果: 很显然是存储 全局符号（Global Symbol）func 

所以这就很清晰了，符号 func 在全局符号表中只有一个，链接的时候，自然就不会后什么问题。 

3.2 变成两个 Local Symbol

这样做最后的二进制文件会变大一些. 具体在 C++ 中有两种做法, 拿我们的 func 函数示例. 可以加上 static.   这个在C++层面称之为： Internal Linkage

// a.h
 
 
#pragma once
 
//static int func() {
//	// static修饰的 函数，会生成local symbol
//	return 1;
//};
 
// 方式二 : 匿名的 namespace里面都是 Local Symbal符号
namespace {
	int func() {
		return 1;
	}
}
 
A.cpp
 
#include
#include"a.h"
void printf_fun()
{
	std::cout << func() << std::endl;
}
 
// main.cpp
 
#include
#include"a.h"
 
int main() {
	int ret = func();
	std::cout << ret << std::endl;
	return 0;
}

先看下A.cpp 编译后的产物

 在看下main.cpp 编译后产物

 很显然我们在main.o 和A.o中并没有看到 globl symbol符号，那么当然也不会出现 multipe definition定义，自然就会正常输出 .

3.3 变成两个 Weak Symbol 这个可以直接用编译器拓展 __attribute__((weak))

• 但是更加常见的操作是： 使用 inline 修饰一个函数
• 对于这个函数, 编译器会考虑是否内联它. 如果编译器决定不内联, 就会生成一个 Weak Symbol.如果编译器决定内联， 这样即使是在多个翻译单元都定义了, 也不会有重定义的错误.
• 链接器则会从不同 object file 中随机选择一份 func 的副本. (具体选哪个要看链接器的实现了, 你要做的是确保每个副本是一样的)

// a.h 
 
#pragma once
 
// 方式一：只声明
// int func();
 
// 方式二 : 添加static 变成 local symbol符号
//static int func() {
//	// static修饰的 函数，会生成local symbol
//	return 1;
//};
 
// 方式二 : 匿名的 namespace里面都是 Local Symbal符号
//namespace {
//	int func() {
//		return 1;
//	}
//}
 
// 方式三 :添加 inline 修饰符，变成 Weak Symbol
inline int function() {
	return 2;
}
 
 
// A.cpp
#include
#include"a.h"
void printf_fun()
{
	std::cout << function() << std::endl;
}
 
 
// main.cpp
#include
#include"a.h"
 
int main() {
	int ret = function();
	std::cout << ret << std::endl;
	return 0;
}

 4: 总结：

这三种处理方案, 一般使用 1, 3 是比较常见的. 第 2 种的话, 每一个翻译单元都有一份副本, 会增加最终生成二进制的体积和符号个数.

5：扩展

如果你在 struct/class/union 中给出了函数的完整定义, 那么它也是隐式 inline 的. 比如

struct A {
    int func() { return 0; } // 隐式 inline, 所以不会有重定义的错误
};

1. 现在的 inline 语义大概就是: 允许同一个定义在不同的翻译单元出现, 但你需要确保不同翻译单元给出的定义是一致的. 可以看出, 最自然的实现方案就是使用 ELF 格式中的 Weak Symbol. 
2. 在 C++ 之中, 除了 inline 会生成 Weak Symbol, 模板生成的内容也会 Weak Symbol. 所以模板可以放在头文件中, 而不用有担心重定义的错误. 事实上, 模板的定义也需要放在头文件中, 不然无法实例化. (除了显式实例化等情况)
3. 参考文献 ELF 格式的 Symbol 及 C++ 的 inline 关键字 - 知乎