c++ - 链接器如何在翻译单元之间处理相同的模板实例化？

Question

假设我有两个翻译单元:

foo.cpp

void foo() {
  auto v = std::vector<int>();
}

bar.cpp

void bar() {
  auto v = std::vector<int>();
}

当我编译这些翻译单元时，每个翻译单元都会实例化std::vector<int>。

我的问题是:这在链接阶段如何工作？

两种实例化名称是否都有不同？

链接器是否将它们作为重复项删除？

Answer 1

C++要求inline function definition
出现在引用该功能的翻译单元中。模板成员
函数是隐式内联的，但默认情况下是使用外部实例化的
链式。因此，重复定义将在链接器可见时显示
使用不同的相同模板参数实例化相同模板
翻译单位。链接器如何应对这种重复是您的问题。

您的C++编译器受C++标准的约束，但您的链接器不受此约束
关于如何将C++链接起来的任何成文标准:这是它本身的法律，
Root 于计算历史，对对象的源语言无动于衷
对其链接进行编码。您的编译器必须使用目标链接器
可以并且将会这样做，以便您可以成功地链接程序并查看它们
您的期望。因此，我将向您展示GCC C++编译器如何与
GNU链接器以不同的翻译单元处理相同的模板实例。

该演示利用了以下事实:尽管C++标准要求-
由One Definition Rule
-同一模板的不同翻译单元中的实例化具有
相同的模板参数应具有相同的定义，编译器-
当然-不能对不同的关系强制执行类似的要求
翻译单位。它必须信任我们。

因此，我们将在不同的位置使用相同的参数实例化相同的模板
翻译单位，但我们会通过向其中注入(inject)宏控制差异来作弊
不同翻译单元中的实现，随后将显示
链接器选择哪个定义。

如果您怀疑此作弊使演示无效，请记住:编译器
不知道ODR是否曾经在不同的翻译部门得到认可，
因此它在该帐户上的行为不会有所不同，并且没有这样的事情
作为“欺骗”链接器。无论如何，该演示将证明它是有效的。

首先，我们有我们的作弊模板头:

something.hpp

#ifndef THING_HPP
#define THING_HPP
#ifndef ID
#error ID undefined
#endif

template<typename T>
struct thing
{
    T id() const {
        return T{ID};
    }
};

#endif

宏ID的值是我们可以注入(inject)的跟踪器值。

接下来是一个源文件:

foo.cpp

#define ID 0xf00
#include "thing.hpp"

unsigned foo()
{
    thing<unsigned> t;
    return t.id();
}

它定义了函数foo，其中thing<unsigned>是
实例化以定义t，并返回t.id()。通过具有功能
实例化thing<unsigned>的外部链接，foo用于此目的
的:-

强制编译器执行所有

的实例化

公开了链接中的实例化，因此我们可以探究什么
链接器会这样做。

另一个源文件:

boo.cpp

#define ID 0xb00
#include "thing.hpp"

unsigned boo()
{
    thing<unsigned> t;
    return t.id();
}

除了定义foo.cpp代替boo和
设置foo = ID。

最后是一个程序源:

main.cpp

#include <iostream>

extern unsigned foo();
extern unsigned boo();

int main()
{
    std::cout << std::hex 
    << '\n' << foo()
    << '\n' << boo()
    << std::endl;
    return 0;
}

该程序将以十六进制形式打印0xb00的返回值-我们的作弊者应使用此返回值
= foo()-然后是f00的返回值-我们的作弊应该使它成为= boo()。

现在，我们将编译b00，并使用foo.cpp进行编译，因为我们想要
看看组装:

g++ -c -save-temps foo.cpp

这将程序集写入-save-temps中，感兴趣的部分是foo.s的定义(mangled = thing<unsigned int>::id() const):

    .section    .text._ZNK5thingIjE2idEv,"axG",@progbits,_ZNK5thingIjE2idEv,comdat
    .align 2
    .weak   _ZNK5thingIjE2idEv
    .type   _ZNK5thingIjE2idEv, @function
_ZNK5thingIjE2idEv:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movl    $3840, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc

顶部的三个指令很重要:

.section    .text._ZNK5thingIjE2idEv,"axG",@progbits,_ZNK5thingIjE2idEv,comdat

该函数将函数定义放在其自己的链接部分中
如果需要，将输出的_ZNK5thingIjE2idEv合并到
链接目标文件的程序的.text._ZNK5thingIjE2idEv(即代码)部分。一个
像这样的链接部分，即.text称为功能部分。
这是一个代码部分，仅包含.text.<function_name>函数的定义。

指令:

.weak   _ZNK5thingIjE2idEv

至关重要。它将<function_name>归类为weak符号。
GNU链接器可识别强符号和弱符号。要获得强烈的象征，
链接器在链接中仅接受一个定义。如果还有更多，它将给出倍数
-定义错误。但是对于弱符号，它可以容忍任何数量的定义，
选一个如果一个弱定义的符号在链接中也具有(仅一个)强定义，则
会选择强定义。如果符号具有多个弱定义而没有强定义，
则链接器可以任意选择任何一个弱定义。

指令:

.type   _ZNK5thingIjE2idEv, @function

将thing<unsigned int>::id() const分类为引用函数-而不是数据。

然后在定义主体中，将代码汇编到该地址处
用弱全局符号thing<unsigned int>::id()标记，本地相同
标记为_ZNK5thingIjE2idEv。该代码返回3840(= 0xf00)。

接下来，我们将以相同的方式编译.LFB2:

g++ -c -save-temps boo.cpp

再看看boo.cpp中如何定义thing<unsigned int>::id()

    .section    .text._ZNK5thingIjE2idEv,"axG",@progbits,_ZNK5thingIjE2idEv,comdat
    .align 2
    .weak   _ZNK5thingIjE2idEv
    .type   _ZNK5thingIjE2idEv, @function
_ZNK5thingIjE2idEv:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    movq    %rdi, -8(%rbp)
    movl    $2816, %eax
    popq    %rbp
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc

除了作弊外，它是相同的:此定义返回2816(= 0xb00)。

当我们在这里时，让我们注意一些可能会或可能不会发生的事情:
一旦我们进行汇编(或目标代码)，类就会消失。这里，
我们归结为:-

数据

代码

符号，可以标记数据或标记代码。

因此，这里没有任何内容专门代表boo.s的实例化thing<T>。在这种情况下，T = unsigned剩下的全部是thing<unsigned>的定义，也称为_ZNK5thingIjE2idEv。

现在我们知道了编译器如何实例化thing<unsigned int>::id() const在给定的翻译单元中。如果必须实例化thing<unsigned>成员函数，然后组装实例化成员的定义
在标识成员函数的弱全局符号处起作用，并且它
将此定义放入其自己的功能部分。

现在，让我们看看链接器的作用。

首先，我们将编译主要的源文件。

g++ -c main.cpp

然后链接所有目标文件，请求对thing<unsigned>进行诊断跟踪，
和链接映射文件:

g++ -o prog main.o foo.o boo.o -Wl,--trace-symbol='_ZNK5thingIjE2idEv',-M=prog.map
foo.o: definition of _ZNK5thingIjE2idEv
boo.o: reference to _ZNK5thingIjE2idEv

因此，链接器告诉我们程序从以下位置获取_ZNK5thingIjE2idEv的定义:_ZNK5thingIjE2idEv并在foo.o中调用它。

运行程序表明它说的是实话:

./prog

f00
f00

boo.o和foo()都返回boo()的值
如thing<unsigned>().id()中实例化的。
foo.cpp的其他定义已成为什么
在thing<unsigned int>::id() const中？该 map 文件显示了我们:

程序 map

...
Discarded input sections
 ...
 ...
 .text._ZNK5thingIjE2idEv
                0x0000000000000000        0xf boo.o
 ...
 ...

链接器删除了boo.o中的功能部分，该部分
包含另一个定义。

现在，让我们再次链接boo.o，但这一次是将prog和foo.o相反的顺序:

$ g++ -o prog main.o boo.o foo.o -Wl,--trace-symbol='_ZNK5thingIjE2idEv',-M=prog.map
boo.o: definition of _ZNK5thingIjE2idEv
foo.o: reference to _ZNK5thingIjE2idEv

这次，程序从boo.o获取_ZNK5thingIjE2idEv的定义，并
将其称为boo.o。该程序确认:

$ ./prog

b00
b00

map 文件显示:

...
Discarded input sections
 ...
 ...
 .text._ZNK5thingIjE2idEv
                0x0000000000000000        0xf foo.o
 ...
 ...

链接器删除了功能部分foo.o来自.text._ZNK5thingIjE2idEv。

这样就完成了。

编译器在每个翻译单元中发出一个弱定义:
每个实例化的模板成员都位于其自己的功能部分。链接器
然后只选择它遇到的那些弱定义中的第一个
在链接序列中需要解决对弱点的引用时
符号。因为每个弱符号都涉及一个定义，所以任何
其中一个-尤其是第一个-可用于解析所有引用
链接中的符号，其余的弱定义是
消耗的。多余的弱定义必须忽略，因为
链接器只能链接给定符号的一个定义。还有盈余
链接器可以舍弃弱定义，而无需任何抵押
损害程序，因为编译器本身将每个部分放置在一个链接部分中。

通过选择看到的第一个弱定义，链接器可以有效地
随机选择，因为链接目标文件的顺序是任意的。
但这很好，只要我们遵守跨多个翻译部门的ODR，
因为我们做到了，所以所有的弱定义的确是相同的。 foo.o的通常做法是在头文件中的任何地方放置类模板(并且这样做时不进行宏注入(inject)任何本地编辑)是一种遵循规则的相当可靠的方法。