编译程序加不加 -lpthread 的区别

编译程序加不加 -lpthread 的区别

 

作者：Lokki 出处：http://www.cnblogs.com/Swartz/ 欢迎转载，也请保留这段声明。谢谢！

讨论贴

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最近在CSDN上看到一个帖子在讨论 进程间共享的Posix mutex的锁定状态能否被子进程继承？，其中4楼的帖子给出了一个测试局部mutex能否被继承的例子：

 1 #include <pthread.h>
 2 #include <stdio.h>
 3 #include <stdlib.h>
 4 #include <unistd.h>
 5 
 6 int main(void)
 7 {
 8     pid_t pid;
 9     pthread_mutex_t mut;
10 
11     pthread_mutex_init(&mut, NULL);
12 
13     printf("lock
");
14     pthread_mutex_lock(&mut);
15 
16     printf("fork
");
17     pid = fork();
18     if( pid == 0 )          // 子进程尝试锁定
19     {
20         printf("child: lock
");
21         pthread_mutex_lock(&mut);
22         printf("child: over
");
23 
24         exit(0);
25     }
26 
27     pthread_mutex_destroy(&mut);
28     return(0);
29 }

 在之后的楼层讨论，大家发现在编译以上代码时候加 -lpthread 和不加 -lpthread 得出了截然不同的结果。这是为什么呢？

1 gcc -o test1 main.c -lpthread
2 gcc -o test2 main.c

本文主要讨论动态链接编译的方式。

为什么加不加 -lpthread 都可以编译通过且成功执行

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由于程序正确地添加了头文件 pthread.h，所以在编译的链接阶段之前，加不加 -lpthread 生成的目标文件是没有区别的，区别在于编译阶段的链接过程。程序里面的pthread_mutex_init pthread_mutex_lock 等函数（事实上除了main函数之外的函数都是）是未定义的符号。编译器需要在链接期间的正确地解析未定义符号的地址。那么对于test2中的pthread_mutex_lock函数，连接器能正确解析到吗？我们先来看一下test1和test2都链接了哪些动态库（注意链接库的顺序）。

很显然，test2链接的动态库里面没有pthread。我们看一下libc.so里面的符号是不是有pthread_mutex_lock函数。

原来在libc.so库里面有这些函数，这样test2就可以正确编译执行了。

为什么程序运行的结果不一样？

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在我们执行两个程序之后得到以下结果：

显然，test1的结果表明了局部mutex的状态可以被子进程继承，test2的结果却恰恰相反。这是因为test1调用的pthread_mutex_*函数是来自于pthread库，test2调用的函数来自libc.so库。libc.so库里面的pthread_mutex_*函数什么都没有做，只是返回了0。这样就会出现上述结果。

为什么libc要定义一些多线程的函数？

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我们再次查看libc.so定义的pthread有关的函数时候，可以找到很多熟悉的函数（没有pthread_create，为什么？）。

libc之所以这样做是因为一些库需要做到线程安全，但是自身却不使用线程。试想，一个库的函数需要使用mutex，当该函数调用时候需要lock和unlock。这样在程序为单线程时候不必链接pthread库这个函数仍然可以正常调用，事实上lock和unlock的动作不会有任何效果。在多线程时候，程序链接了pthread库，这样函数就可以正常地lock和unlock，实现线程安全的特性。

例如，根据posix标准，你每次调用fputc(ch, stream)都会有mutex的lock和unlock。

如何保证调用到有效的pthread函数？

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1. 对于动态链接的程序

通过符号介入。符号介入是指：在动态链接时候，如果一个符号在多个库里面有定义，那么连接器将使用它第一次找到的版本。看第一个图，我们可以看到libpthread的链接顺序要比libc靠前，默认情况下libc都排在编译器链接顺序的最后一位。这样的话，如果程序没有链接pthread库，那么程序会调用libc的pthread函数。如果程序链接了pthread库，由于pthread的链接顺序总是排在libc之前，程序会调用pthread的函数。

2. 对于静态链接的程序

之前我们讨论的是动态链接的程序，其中涉及到了动态链接符号的解析，由于静态链接程序没有这个步骤，所以静态链接程序不能通过这个来实现。我们可以看一下libc.a里面的pthread函数：

很明显，pthread的相关函数都被定义为了弱符号，而这些函数在libpthread.a里面都被定义为强符号。这样在程序链接pthread时候会调用pthread的强符号，没有链接pthread时候会调用libc定义的函数。

3. 符号版本的作用

情况比较少，暂时忽略

后记

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通过对现象的深入剖析，看到了libc库的强大。事实上，libc除了pthread相关函数还实现了其他的一些函数，这些函数称为stubs。他们不会实现实际的功能，只是一个占位符(place holder)，当有真正的函数可用时候，他们就会让出自己的位置。

GUN对stub的描述：

A stub function is a function which cannot be implemented on a particular machine or operating system. Stub functions always return an error, and set errno to ENOSYS (Function not implemented). See Error Reporting. If you define a stub function, you must place the statement stub_warning(function), where function is the name of your function, after its definition. This causes the function to be listed in the installed <gnu/stubs.h>, and makes GNU ld warn when the function is used.

 

参考

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1. http://stackoverflow.com/questions/6266183/does-linking-an-lpthread-changes-application-behaviour-linux-glibc
2. http://stackoverflow.com/questions/21092601/is-pthread-in-glibc-so-implemented-by-weak-symbol-to-provide-pthread-stub-functi
3. http://stackoverflow.com/questions/11161462/why-glibc-and-pthread-library-both-defined-same-apis/11210463#11210463
4. http://stackoverflow.com/questions/21092601/is-pthread-in-glibc-so-implemented-by-weak-symbol-to-provide-pthread-stub-functi
5. http://www.gnu.org/software/libc/manual/html_node/Porting.html