gcc内置函数
最近在看APUE，不愧是经典，看⼀点就收获⼀点。但是感觉有些东西还是没说清楚，需要⾃⼰动⼿验证⼀下，结果发现需要⽤gcc，就了解⼀下。
有时候，你在代码⾥⾯引⽤了⼀个函数但是没有包含相关的头⽂件，这个时候gcc报的错误⽐较诡异，⼀般是这样：【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启⽤]】。这个错误⽹上⼤量博客都在说需要包含XXX.h⽂件，但是没有⼈解释这个错误信息为什么这样表达。什么是隐式声明，什么是内建函数，我就纠结了。
隐式声明函数的概念⽹上有相关的资料，有兴趣的同学可以⾃⾏查阅，这⾥简要的提⼀下。如果你调⽤了⼀个函数a，但是gcc不到函数a的定义，那就默认帮你定义⼀个函数a，⼤概如下。
int a(XXX){return XXX}
显然这个不是件好事，因为，有时候gcc这样做会发现问题，提⽰这个错误，如果你⽤了这样的语句int i = a(XX)；这样的话gcc是不会报错的，具体的⾏为我也没有深⼊研究。C语⾔后来的标准都慢慢放弃了隐式声明函数，C++⾥⾯会直接报错。
内建函数，讲这个的资料就⽐较少。最后是在gcc的官⽅⽂档⾥⾯看到了相关的介绍，我也没有时间去细
究只是看了⼏段话，再结合⼀些帖⼦⾥⾯的只⾔⽚语，⼤概得出如下推测。。
顾名思义，内建函数就是⼀个系统或者⼯具提供的默认就能⽤的函数。这⾥⾯可以有两种理解，可以是gcc⽀持的c语⾔默认让你⽤这些函数，这些是gcc-c的内建函数；还有⼀种理解就是gcc指定的函数，gcc允许你使⽤这些函数。官⽅⽂档⾥⾯说gcc的内建函数⼤多是为了对代码进⾏优化，所以我更倾向于后⼀种理解。我觉得gcc的内建函数可以认为是gcc提供的⼀些类似预处理功能，以C函数的形式提供给编程⼈员使⽤，就是说看着是c函数，其实最后跟c语⾔没关系。⽐如下⾯的例⼦⾥⾯会⽤到，如果代码⾥⾯直接有sin(1)这样的调⽤，那gcc会直接算出sin(1)的值，然后在⽣成代码的时候直接使⽤这个值，⽽不会使⽤call sin命令调⽤sin函数。这就是所谓的优化（还有其他类型的优化，这个只是其中⼀种情况）。
官⽅⽂档⾥⾯说gcc的内建函数主要分两类，⼀类以_builtin_为前缀，⼀类没有前缀。后者往往与某⼀个标准库的函数相对应，如sin，printf，exit。当编译器认为可以对相关的代码进⾏优化的时候（⽐如上⾯提到的直接得出某个结果，⽐如忽略没有意义的计算等等），会直接进⾏优化，⽽这些函数就相当于gcc的内置函数了。
上⾯对内置函数进⾏了也说明，不知道我表达清楚没有，下⾯讲⼏个具体的例⼦。
⼀、不连接libm的情况下使⽤sin函数
file:math.c。
1 2 3 4 5 6 7 8 9#include <stdio.h>
#include <math.h>
int main(){
//int i = 1;
//printf("sin(1)=%f.\n", sin(i)); printf("sin(1)=%f.\n", sin(1)); return0;
}
这个代码可以直接gcc math.c -o math.out。然后./math.out直接执⾏。
输出结果：sin(1)=0.841471.
习惯了window编程的同学可能觉得没什么，但是在linux编程中是有问题的。gcc中，include <math.h>这条语句只是将math.h（标准库头⽂件）⽂件包含进math.c（我们的例⼦⽂件）中来，但是math.h中只有sin函数的声明，并没有sin函数的定义。正常⽽⾔，使⽤了math.h 中声明的函数，就需要在编译(准确
说是连接)的时候指定实现了math.h中函数声明的库，这⾥math.h对应标准库libm.a和libm.so。前者为静态库，后者为动态库。你可以这样理解，所有的.h⽂件是不需要编译的(如果被include，直接就相当于插⼊到了代码中)，所有的.c⽂件都需要编译。.h⽂件中只是定义⼀个函数的形式，⽽不管这个函数具体做什么，⽐如sin函数需要⼀个double型的参数，执⾏完后返回⼀个double 型的值。对汇编和编译原理有所了解的同学都应该懂，这样就可以暂时的编译⼀个调⽤了sin函数的.c⽂件，⽽不管sin函数具体怎定义了，直到⽣成汇编源代码。最后编译成汇编源代码⼤概就是
push XXX //参数压栈
call sin
mov XXX XXX 或者pop XXX //获取返回值。
有个函数声明，编译器就知道参数压栈怎么压，同时也知道返回的时候怎么获取返回值。
但是代码最后还是要执⾏的，也就是说⽣成了汇编源代码还不⾏，还要把汇编源代码汇编成机器代码。这个时候，没有sin函数具体的代码，编译器没办法继续将汇编源代码汇编成机器代码，只能停留在这⾥。编译⼀份代码的最后⼀步就是连接。连接会将所有指定的.c⽂件编译的结果连接在⼀起。如上所述，libm.a和libm.so实现了sin，要想上⾯的代码能够运⾏，需要将libm.a(这⾥⾯只⽤到静态链接库)和math.c(⽰例代码)的编译结果连接起来。
说了半天编译器的事，如果你听不明⽩上⾯的内容，那估计就不⽤往下看了，先补充⼀下相关的知识再说。
总⽽⾔之，在gcc中如果代码使⽤了math.h中声明的函数，不但要在代码⾥include <math.h>，还需要编译的时候指定连接libm.a。理解了这点，就知道为什么上⾯的例⼦使⽤"gcc math.c -o math.out"很奇
怪了。⾔归正传，为什么这个例⼦不需要连接libm.so。
⼀开始，我以为是gcc编译器⽐较智能，能⾃动识别sin是math.h中的函数，然后⾃动连接libm.a。或者gcc默认就连接libm.a，但是⽹上并没到这样的资料。直到看到⼀个帖⼦也是问类似的问题，有⼀个回答的⼈⼤意如下：gcc会对代码进⾏优化，但是优化也是基于gcc能够确定这个优化是没问题的。⽐如把sin(1)替换为sin(1)的真实值，这个就可以，因为代码⾥⾯使⽤sin(1)的⽬的99.9999999%是要计算sin(1)的值，⽽这个值是确定的，那gcc就在编译的时候算好，运⾏的时候就不⽤再算了。为了验证这点，可以使⽤gcc -S math.c -o math.s命令查看gcc将math.c编译成的汇编源代码（-S指定编译⾏为停⽌在⽣成汇编源代码阶段）。
1 .file "math.c"
2 .section .rodata
3 .LC1:
4 .string "sin(1)=%f.\n"
5 .text
6 .globl main
7 .type main, @function
8 main:
9 .LFB0:
10 .cfi_startproc
11 pushq %rbp
12 .cfi_def_cfa_offset 16
13 .cfi_offset 6, -16
14 movq %rsp, %rbp
15 .cfi_def_cfa_register 6
16 subq $16, %rsp
17 movabsq $4605754516372524270, %rax
18 movq %rax, -8(%rbp)
19 movsd -8(%rbp), %xmm0
20 movl $.LC1, %edi
21 movl $1, %eax
22 call printf
23 movl $0, %eax
24 leave
25 .cfi_def_cfa 7, 8
26 ret
27 .cfi_endproc
28 .LFE0:
29 .size main, .-main
30 .ident "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-4)"
31 .section .note.GNU-stack,"",@progbits
注意main函数的内容，⾥⾯只有⼀个call printf，并没有call sin。同时注意到第17⾏有⼀个莫名其妙的数字$4605754516372524270。个⼈认为这个就是sin(1)的值经过莫中变化后的8进制代码。⾄于经过了什么变化我也说不清楚，这个值好像也不是sin(1)浮点结果的8进制，可能经过了⼀些运算，或者sin(1)的结果只是这个8进制值的⼀部分，这个有⼼的同学可以研究研究。不管怎么样，汇编代码⾥⾯没有call sin。说明sin(1)已经被优化了。
同样是sin(1)，在什么情况下gcc没办法优化呢？很简单，int i = 1; sin(i)，这样gcc就没法优化了。虽然也是计算sin(1)，但是gcc在编译
代码的时候只知道求sin(i)，但是他不知道i值是多少。为什么不知道？这个是编译优化的内容，有兴趣的同学可以了解⼀下。简单来说就是，有些变量的值在某些状态下是可以推导的，但是⽬前的技术能推导的情况不多，⽽且需要⼤量的编译处理才能推导，gcc对sin(i)这种情况⼤概是选择直接不推导。
1 #include <stdio.h>
2 #include <math.h>
3
4 int main(){
5 int i = 1;
6 printf("sin(1)=%f.\n", sin(i));
7 printf("sin(1)=%f.\n", sin(1));
8 return 0;
9 }
注意之前math.c的代码，将其中的注释去掉，就是现在math.c的代码。这个时候"gcc math.c -o math.out"就会报错：
/tmp/ccYkhbgg.o：在函数‘main’中：
math.c:(.text+0x15)：对‘sin’未定义的引⽤
collect2: 错误：ld 返回 1
再看看汇编代码，注意这个时候到汇编的代码还是可以⽣成的，只是将汇编源程序会变成机器代码的时候，才发现call sin的sin函数没定义。
1 .file "math.c"
2 .section .rodata
3 .LC0:
4 .string "sin(1)=%f.\n"
5 .text
6 .globl main
7 .type main, @function
8 main:
9 .LFB0:
10 .cfi_startproc
11 pushq %rbp
12 .cfi_def_cfa_offset 16
13 .cfi_offset 6, -16
14 movq %rsp, %rbp
15 .cfi_def_cfa_register 6
16 subq $32, %rsp
17 movl $1, -4(%rbp)
18 cvtsi2sd -4(%rbp), %xmm0
19 call sin
20 movsd %xmm0, -24(%rbp)
21 movq -24(%rbp), %rax
22 movq %rax, -24(%rbp)
23 movsd -24(%rbp), %xmm0
24 movl $.LC0, %edi
25 movl $1, %eax
26 call printf
27 movabsq $4605754516372524270, %rax
28 movq %rax, -24(%rbp)
29 movsd -24(%rbp), %xmm0
30 movl $.LC0, %edi
31 movl $1, %eax
32 call printf
33 movl $0, %eax
34 leave
35 .cfi_def_cfa 7, 8
36 ret
37 .cfi_endproc
38 .LFE0:
39 .size main, .-main
40 .ident "GCC: (GNU) 4.8.5 20150623 (Red Hat 4.8.5-4)"
41 .section .note.GNU-stack,"",@progbits
这个时候有两个call printf，第⼀个call printf之前有⼀个call sin。第⼆个call printf前⾯还是没有call sin。
gcc官⽅⽂档⾥⾯有⼀段话，⼤意是：对于内置函数，如果能对代码进⾏优化，gcc会优化代码，如果不能优化，往往就是直接调⽤同名的标准库函数。我的理解就是sin(1)能优化就给你优化了，sin(i)优化不了，就还是调⽤math.h中声明的sin函数。
GCC includes built-in versions of many of the functions in the standard C library. These functions come in two forms: one whose names start with the __builtin_ prefix, and the other without. Both forms have the same type (including prototype), the same address (when their address is taken), and the same meaning as the C library functions even if you specify the -fno-builtin option see ). Many of these functions are only optimized in certain cases; if they are not optimized in a particular case, a call to the library function is emitted.
修改的后代码编译时制定libm.a就可以，具体命令如下 gcc math.c -lm -o math.out。 -lxxx参数就是到相关⽬录中libxxx.so和libxxx.a。这样就可以连接到libm.a了。
gcc内建函数是可选的，我们可以在编译的时候指定不使⽤某些内建函数，gcc -fno-builtin-xxx。还是⼀开始的例⼦，使⽤命令：gcc -fno-builtin-sin math.c -o math.out。这次就会报错，因为我们指定不使⽤内建函数sin，那就会使⽤math.h中声明的sin函数，同时编译的时候
并没有指定连接libm.a，这样就会报错：
/tmp/ccKy8vEG.o：在函数‘main’中：
math.c:(.text+0x11)：对‘sin’未定义的引⽤
collect2: 错误：ld 返回 1
最初的问题，【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启⽤]】是什么意思？这个其实我⾃⼰也不清楚，我只是⼤概弄清楚了什么叫做隐式声明函数和内建函数。在论坛上有⼈这样回复：内建函数也是有原型的，当隐式声明和对应的内建函数的声明不⼀致的时候，可能会出问题，所以gcc就警告⼀下。
最后⼀个默认启⽤是什么意思我就不清楚了，推测是使⽤内置函数。
最后补充⼀个例⼦
1 #include <stdio.h>
2 //#include <math.h>
3
4 int main(){
5 int i = 1;
6 printf("sin(1)=%f.\n", sin(i));
printf函数原型在什么头文件里7 //printf("sin(1)=%f.\n", sin(1));
8 return 0;
9 }
编译的时候使⽤ gcc -lm math.c -o math.out。会有【math.c:6:25: 警告：隐式声明与内建函数‘sin’不兼容 [默认启⽤]】警告，但是却还是能⽣成可执⾏⽂件，并且执⾏结果正确。这个例⼦中，我们没有包含math.h，所以sin肯定是⼀个隐式声明函数，会和内建函数不兼容，gcc 发出警告，但是由于gcc⽆法优化sin(i)，所以转⽽调⽤标准库的sin(这个调⽤应该是内置的，因为我们没有包含math.h，应该gcc⾃动调⽤math.c中sin函数)。同时连接的时候制定了-lm，连接成功。所以⽣成的可执⾏⽂件正常计算sin(1)。如果默认启⽤是使⽤隐式声明函数，那结果应该会有问题。
好了，这些就是我对gcc内建函数的⼀些了解以及⼀些猜测，如有说的不好的地⽅，同学们见谅，如有说的不对的地⽅，欢迎指正。
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