Pourquoi devez-vous lier la bibliothèque mathématique en C?

Si j'inclus <stdlib.h>ou <stdio.h>dans un programme C, je n'ai pas à les lier lors de la compilation mais je dois me lier à <math.h>, en utilisant -lmavec gcc, par exemple:

gcc test.c -o test -lm

Quelle est la raison pour ça? Pourquoi dois-je lier explicitement la bibliothèque mathématique mais pas les autres bibliothèques?

Les fonctions dans stdlib.het stdio.hont des implémentations dans libc.so(ou libc.apour la liaison statique), qui est liée à votre exécutable par défaut (comme si elle -lcétait spécifiée). GCC peut être chargé d'éviter ce lien automatique avec les options -nostdlibou -nodefaultlibs.

Les fonctions mathématiques de math.hont des implémentations dans libm.so(ou libm.apour la liaison statique) et libmne sont pas liées par défaut. Il y a des raisons historiques à cette séparation libm/ libc, aucune d'elles n'est très convaincante.

Fait intéressant, le runtime C ++ libstdc++nécessite libm, donc si vous compilez un programme C ++ avec GCC ( g++), vous serez automatiquement libmlié.

N'oubliez pas que C est un ancien langage et que les FPU sont un phénomène relativement récent. J'ai vu C pour la première fois sur des processeurs 8 bits où il y avait beaucoup de travail pour faire de l'arithmétique même sur 32 bits. Un grand nombre de ces mises en œuvre ne même pas avoir une bibliothèque de mathématiques à virgule flottante disponible!

Même sur les 68000 premières machines (Mac, Atari ST, Amiga), les coprocesseurs à virgule flottante étaient souvent des modules complémentaires coûteux.

Pour faire tout ce calcul en virgule flottante, vous aviez besoin d'une bibliothèque assez importante. Et les calculs allaient être lents. Vous avez donc rarement utilisé des flotteurs. Vous avez essayé de tout faire avec des entiers ou des entiers mis à l'échelle. Quand vous avez dû inclure math.h, vous avez serré les dents. Souvent, vous écriviez vos propres approximations et tables de recherche pour l'éviter.

Les compromis existaient depuis longtemps. Parfois, il y avait des packages mathématiques concurrents appelés "fastmath" ou autres. Quelle est la meilleure solution pour les mathématiques? Des trucs vraiment précis mais lents? Imprécis mais rapide? De grandes tables pour les fonctions trigonométriques? Ce n'est que lorsque les coprocesseurs ont été garantis dans l'ordinateur que la plupart des implémentations sont devenues évidentes. J'imagine qu'il y a un programmeur quelque part en ce moment, travaillant sur une puce intégrée, essayant de décider d'apporter la bibliothèque mathématique pour gérer un problème mathématique.

C'est pourquoi les mathématiques n'étaient pas standard . Beaucoup ou peut-être la plupart des programmes n'utilisaient pas un seul flottant. Si les FPU avaient toujours été là et que les flotteurs et les doubles étaient toujours bon marché, il y aurait sans aucun doute eu un "stdmath".

À cause d'une pratique historique ridicule que personne ne veut réparer. La consolidation de toutes les fonctions requises par C et POSIX dans un seul fichier de bibliothèque éviterait non seulement de poser cette question à plusieurs reprises, mais permettrait également d'économiser beaucoup de temps et de mémoire lors de la liaison dynamique, car chaque .sofichier lié nécessite les opérations du système de fichiers pour le localiser et le trouver, et quelques pages pour ses variables statiques, délocalisations, etc.

Une mise en œuvre où toutes les fonctions sont dans une bibliothèque et -lm, -lpthread, -lrtoptions , etc. sont tous pas d'habitation (ou lien vers vides .afichiers) est parfaitement conforme POSIX et certainement préférable.

Remarque: je parle de POSIX parce que C lui-même ne spécifie rien sur la façon dont le compilateur est appelé. Ainsi, vous pouvez simplement considérer gcc -std=c99 -lmcomme la manière spécifique à l'implémentation le compilateur doit être appelé pour un comportement conforme.

Parce que time()et certaines autres fonctions sont builtindéfinies dans la bibliothèque C ( libc) elle-même et GCC est toujours lié à libc sauf si vous utilisez l' -ffreestandingoption de compilation. Cependant, les fonctions mathématiques existent dans libmlesquelles n'est pas implicitement lié par gcc.

Une explication est donnée ici :

Donc, si votre programme utilise des fonctions mathématiques et inclut math.h, vous devez lier explicitement la bibliothèque mathématique en passant le -lmdrapeau. La raison de cette séparation particulière est que les mathématiciens sont très pointilleux sur la façon dont leurs mathématiques sont calculées et ils peuvent vouloir utiliser leur propre implémentation des fonctions mathématiques au lieu de l'implémentation standard. Si les fonctions mathématiques étaient regroupées, libc.ail ne serait pas possible de le faire.

[Éditer]

Je ne suis cependant pas sûr d'être d'accord avec cela. Si vous avez une bibliothèque qui fournit, disons, sqrt()et que vous la transmettez avant la bibliothèque standard, un éditeur de liens Unix prendra votre version, non?

Il y a une discussion approfondie sur la liaison à des bibliothèques externes dans Une introduction à GCC - Liaison avec des bibliothèques externes . Si une bibliothèque est membre des bibliothèques standard (comme stdio), vous n'avez pas besoin de spécifier au compilateur (vraiment l'éditeur de liens) pour les lier.

EDIT: Après avoir lu certaines des autres réponses et commentaires, je pense que la référence libc.a et la référence libm qu'elle relie aux deux ont beaucoup à dire sur la raison pour laquelle les deux sont séparés.

Notez que de nombreuses fonctions de 'libm.a' (la bibliothèque mathématique) sont définies dans 'math.h' mais ne sont pas présentes dans libc.a. Certains le sont, ce qui peut prêter à confusion, mais la règle de base est la suivante: la bibliothèque C contient les fonctions qui doivent exister selon ANSI, de sorte que vous n'avez pas besoin du -lm si vous utilisez uniquement des fonctions ANSI. En revanche, `libm.a 'contient plus de fonctions et prend en charge des fonctionnalités supplémentaires telles que le rappel matherr et la conformité à plusieurs normes de comportement alternatives en cas d'erreurs de FP. Voir la section libm, pour plus de détails.

Comme l'éphémient l'a dit, la bibliothèque C libc est liée par défaut et cette bibliothèque contient les implémentations de stdlib.h, stdio.h et plusieurs autres fichiers d'en-tête standard. Juste pour y ajouter, selon " An Introduction to GCC ", la commande de l'éditeur de liens pour un programme de base "Hello World" en C est comme ci-dessous:

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

Notez l'option -lc dans la troisième ligne qui relie la bibliothèque C.

Je pense que c'est un peu arbitraire. Vous devez tracer une ligne quelque part (quelles bibliothèques sont par défaut et lesquelles doivent être spécifiées).

Cela vous donne la possibilité de le remplacer par un autre qui a les mêmes fonctions, mais je ne pense pas que ce soit très courant de le faire.

EDIT: (d'après mes propres commentaires): Je pense que gcc fait cela pour maintenir la compatibilité descendante avec le cc d'origine. J'imagine pourquoi cc fait cela à cause du temps de construction - cc a été écrit pour les machines avec beaucoup moins de puissance que nous avons maintenant. De nombreux programmes n'ont pas de calcul en virgule flottante et ils ont probablement pris toutes les bibliothèques qui n'étaient pas couramment utilisées par défaut. Je suppose que le temps de construction du système d'exploitation UNIX et des outils qui l'accompagnaient ont été la force motrice.

Si je mets stdlib.h ou stdio.h, je n'ai pas à les lier mais je dois les lier quand je compile:

stdlib.h, stdio.hsont les fichiers d'en-tête. Vous les incluez pour votre commodité. Ils prévoient uniquement les symboles qui deviendront disponibles si vous créez un lien dans la bibliothèque appropriée. Les implémentations sont dans les fichiers de la bibliothèque, c'est là que les fonctions vivent vraiment.

L'inclusion math.hn'est que la première étape pour accéder à toutes les fonctions mathématiques.

De plus, vous n'avez pas à vous lier libmsi vous n'utilisez pas ses fonctions, même si vous effectuez une #include <math.h>étape qui n'est qu'une information pour vous, pour le compilateur sur les symboles.

stdlib.h, stdio.hreportez - vous aux fonctions disponibles dans libc, qui se trouvent toujours liées afin que l'utilisateur n'ait pas à le faire lui-même.

stdio fait partie de la bibliothèque C standard avec laquelle, par défaut, gcc sera lié.

Les implémentations de la fonction mathématique se trouvent dans un fichier libm distinct qui n'est pas lié par défaut, vous devez donc le spécifier -lm. Soit dit en passant, il n'y a aucune relation entre ces fichiers d'en-tête et les fichiers de bibliothèque.

Je suppose que c'est un moyen de rendre les applications qui ne l'utilisent pas du tout légèrement plus performantes. Voici ma réflexion à ce sujet.

Les systèmes d'exploitation x86 (et j'imagine que d'autres) doivent stocker l'état du FPU sur le changement de contexte. Cependant, la plupart des systèmes d'exploitation ne prennent la peine de sauvegarder / restaurer cet état qu'après que l'application a tenté d'utiliser le FPU pour la première fois.

En plus de cela, il y a probablement un code de base dans la bibliothèque mathématique qui mettra le FPU dans un état de base sain lorsque la bibliothèque est chargée.

Donc, si vous ne liez pas du tout de code mathématique, rien de tout cela ne se produira, par conséquent, le système d'exploitation n'a pas du tout à sauvegarder / restaurer l'état FPU, ce qui rend les changements de contexte légèrement plus efficaces.

Mais juste une supposition.

EDIT: en réponse à certains commentaires, la même prémisse de base s'applique toujours aux cas non FPU (la prémisse étant qu'il s'agissait de faire légèrement mieux les applications qui n'utilisaient pas libm).

Par exemple, s'il existe un soft-FPU qui était semblable aux premiers jours de C. Ensuite, avoir libm séparé pourrait empêcher beaucoup de code volumineux (et lent s'il était utilisé) d'être lié inutilement.

De plus, s'il n'y a que des liens statiques disponibles, un argument similaire s'applique, selon lequel les tailles exécutables et les temps de compilation seront réduits.