談談C語言的全域變數和 Linux Object 檔案的關係

印象中以前學過C語言中跨檔案的全域變數是這樣宣告的。 檔案一：int g_var1; 檔案二：extern int g_val1;

然而，我從來沒有想過如果沒有extern的情況會發生什麼狀況。加上之前看過的objdump和nm後手癢，所以把可能的排列組合看看可能發生什麼事。

這邊要先知道common object表示object檔案已經紀錄下這個symbol，最後link的時候才會決定要怎麼處理。會放在common section 出處。

由於結果和分析又臭又長，連我自己都不太想回去看。建議先看結論，有疑惑再回來看結果和分析吧。

目錄

• 測試環境
• 測試程式
• 測試結果
• 結論
• 參考資料

測試環境

$ lsb_release -a
No LSB modules are available.
Distributor ID:	Ubuntu
Description:	Ubuntu 14.04.1 LTS
Release:	14.04
Codename:	trusty

• GNU objdump (GNU Binutils for Ubuntu) 2.24
• GNU nm (GNU Binutils for Ubuntu) 2.24

測試程式

非常簡單，就是有兩個檔案存放全域變數，每次測試時先更改全域變數

• 是否有初始值
• 宣告方式是否有extern 全部的排列組合放在這邊

• var1.c

int g_var1;

• var2.c

int g_var1;

• main.c

#include <stdio.h>
extern int g_var1;
int main()
{
    printf("Hello %d\n", g_var1);
    return 0;
}

• Makefile

TARGET=glvar
SRCS=var_1.c var_2.c main.c
OBJS=$(patsubst %.c, %.o, $(SRCS))
CFLAGS=-g

$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) -o $@ $^

test: $(TARGET)
	objdump -t $(OBJS) $(TARGET)
	nm -A $(OBJS) $(TARGET)
	./$(TARGET)

clean:
	rm -f $(TARGET) $(OBJS)

測試結果

var1.c 宣告方式	var2.c宣告方式	編譯結果	nm 和 objdump 分析
int g_var;	int g_var;	成功	分析
int g_var = 2;	int g_var;	成功	分析
int g_var;	int g_var = 3;	成功	分析
int g_var = 2;	int g_var = 3;	失敗	分析

var1.c 宣告方式	var2.c宣告方式	編譯結果	nm 和 objdump 分析
int g_var;	extern int g_var;	成功	分析
int g_var = 2;	extern int g_var;	成功	分析
int g_var;	extern int g_var = 3;	有警告	分析
int g_var = 2;	extern int g_var = 3;	失敗	分析

var1.c 宣告方式	var2.c宣告方式	編譯結果	nm 和 objdump 分析
extern int g_var;	extern int g_var;	link失敗	分析
extern int g_var = 2;	extern int g_var;	有警告	分析
extern int g_var	extern int g_var = 3;	有警告	分析
extern int g_var = 2;	extern int g_var = 3;	link失敗	分析

分析 var1.c: int g_var; var2.c: int g_var; 的結果

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000004 O COM 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個object，放在commom section
  • var2.o: 0000000000000004 O COM 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個object，放在commom section。
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: 0000000000601044 g O .bss 0000000000000004 g_var1
    • 這個symbol放在.bss，也就是未初始化的全域變數
    • 這是最後產生的executable object
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000004 C g_var1
    • 這是一個common symbol。
  • var_2.o:0000000000000004 C g_var1
    • 這是一個common symbol。
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: glvar:0000000000601044 B g_var1
    • 這是最後產生的executable object
    • 這個symbol放在.bss，也就是未初始化的全域變數

分析 var1.c: int g_var = 2; var2.c: int g_var; 的結果

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 0000000000000004 O COM 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個object，放在commom section
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: 0000000000601040 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
    • 這是最後產生的executable object
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o:0000000000000004 C g_var1
    • 這是一個common symbol。
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar:0000000000601040 D g_var1
    • 這是最後產生的executable object
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section

分析 var1.c: int g_var2 = 2; var2.c: int g_var; 的結果

和上面的差別只有var1.o和var2.o的結果對調而已。

分析 var1.c: int g_var2 = 2; var2.c: int g_var = 3; 的結果

• 錯誤訊息： g_var1重複定義

$ make test
cc -g   -c -o var_1.o var_1.c
cc -g   -c -o var_2.o var_2.c
cc -g   -c -o main.o main.c
cc -o glvar var_1.o var_2.o main.o
var_2.o:(.data+0x0): multiple definition of `g_var1'
var_1.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [glvar] Error 1

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol

分析 var1.c: int g_var; var2.c: extern int g_var; 的結果

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000004 O COM 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個object，放在commom section
  • var2.o: 沒有g_var1這個entry
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: 0000000000601040 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
    • 這是最後產生的executable object
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000004 C g_var1
    • 這是一個common symbol
  • var_2.o: 沒有symbol
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar:0000000000601040 B g_var1
    • 這是最後產生的executable object
    • 這個symbol是全域變數，並且放在沒有初始值的資料section

分析 var1.c: int g_var = 2; var2.c: extern int g_var; 的結果

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 沒有g_var1這個entry
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: 0000000000601040 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
    • 這是最後產生的executable object
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o: 沒有symbol
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar:0000000000601040 D g_var1
    • 這是最後產生的executable object
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section

分析 var1.c: int g_var; var2.c: extern int g_var = 3; 的結果

• 得到警告和錯誤：

$ make test
rm -f glvar  var_1.o  var_2.o  main.o
cc -g   -c -o var_1.o var_1.c
cc -g   -c -o var_2.o var_2.c
var_2.c:1:12: warning: ‘g_var1’ initialized and declared ‘extern’ [enabled by default]
 extern int g_var1 = 3;
            ^
cc -g   -c -o main.o main.c
cc -o glvar var_1.o var_2.o main.o
var_2.o:(.data+0x0): multiple definition of `g_var1'
var_1.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [glvar] Error 1

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000004 O COM 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個object，放在commom section
  • var2.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data sectio
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar: 0000000000601040 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
    • 這是最後產生的executable object
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這是一個common symbol
  • var_2.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol
  • glvar:0000000000601040 D g_var1
    • 這是最後產生的executable object
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section

分析 var1.c: int g_var = 2; var2.c: extern int g_var = 3; 的結果

• 得到警告和link錯誤：

$  make test
cc -g   -c -o var_1.o var_1.c
cc -g   -c -o var_2.o var_2.c
var_2.c:1:12: warning: ‘g_var1’ initialized and declared ‘extern’ [enabled by default]
 extern int g_var1 = 3;
            ^
cc -g   -c -o main.o main.c
cc -o glvar var_1.o var_2.o main.o
var_2.o:(.data+0x0): multiple definition of `g_var1'
var_1.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [glvar] Error 1

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol

分析 var1.c: extern int g_var; var2.c: extern int g_var; 的結果

• link時發生錯誤

$ make test
cc -g   -c -o var_1.o var_1.c
cc -g   -c -o var_2.o var_2.c
cc -g   -c -o main.o main.c
cc -o glvar var_1.o var_2.o main.o
main.o: In function `main':
/home/wen/work/practice/Linux_Programming_Practice/16_global_var/main.c:5: undefined reference to `g_var1'
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [glvar] Error 1

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 沒有g_var這個 entry
  • var2.o: 沒有g_var這個 entry
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o: 沒有symbol
  • var_2.o: 沒有symbol
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol

分析 var1.c: extern int g_var = 2; var2.c: extern int g_var; 的結果

• 得到警告：

var_1.c:1:12: warning: ‘g_var1’ initialized and declared ‘extern’ [enabled by default]

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 沒有g_var這個 entry
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o: 沒有symbol
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol

分析 var1.c: extern int g_var2; var2.c: extern int g_var = 3; 的結果

和上面的差別只有var1.o和var2.o的結果對調而已。

分析 var1.c: extern int g_var2 = 2; var2.c: extern int g_var = 3; 的結果

• 得到警告和錯誤：

$ make clean ; make test
rm -f glvar  var_1.o  var_2.o  main.o
cc -g   -c -o var_1.o var_1.c
var_1.c:1:12: warning: ‘g_var1’ initialized and declared ‘extern’ [enabled by default]
 extern int g_var1 = 2;
            ^
cc -g   -c -o var_2.o var_2.c
var_2.c:1:12: warning: ‘g_var1’ initialized and declared ‘extern’ [enabled by default]
 extern int g_var1 = 3;
            ^
cc -g   -c -o main.o main.c
cc -o glvar var_1.o var_2.o main.o
var_2.o:(.data+0x0): multiple definition of `g_var1'
var_1.o:(.data+0x0): first defined here
collect2: error: ld returned 1 exit status
make: *** [glvar] Error 1

• objdump -t 顯示object檔案的symbol table欄位資料：
  • var1.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • var2.o: 0000000000000000 g O .data 0000000000000004 g_var1
    • 這是一個全域變數物件，放在有初始值的.data section
  • main.o: 0000000000000000 UND 0000000000000000 g_var1
    • 這是一個undefined symbol
• nm -A 顯示object檔案的symbol：
  • var_1.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • var_2.o:0000000000000000 D g_var1
    • 這個symbol是全域變數，並且放在有初始值的資料section
  • main.o: U g_var1
    • 這是一個undefined symbol

結論

• common symbol表示object檔案已經紀錄下這個symbol，先放在common section。最後link的時候才會決定要怎麼處理。 出處
• gcc -c產生的object檔案中未初始化的全域變數會放在common section而不是.bss section，原因是link時期其他的object可能有相同名稱的symbol，而這些相同的symbol可能有初始化也可能沒有。而linker需要全盤瞭解後再做出決定要放在.bss還是.data section。
• 最後link出來的executable object檔案不會有common symbol
• 多個檔案宣告同樣名稱的全域變數時，編譯時會依下面的情況處理
  • 超過兩個檔案有設初始值，噴錯誤
  • 都沒設定初始值，產生的object檔案放common section。link時放.bss section。
  • 一個檔案有設定初始值，其他沒有設定初始值的情形
    • 有設定初始值那個檔案的object檔案變數放在.data
    • 其他沒有設定初始值有設定初始值那個檔案的object檔案變數放在common section
    • link時放.data section
• 使用extern全域變數的時候
  • 程式碼沒用到該全域變數在未link前的object 檔案不會有該symbol
  • 程式碼用到該全域變數在未link前的object 檔案該symbol為undefined
  • 程式碼給初始值會產生警告，並且會被新增到該object 檔案的symbol table，以至於其他檔案宣告該全域變數會產生重複定義的錯誤。

參考資料

• stackoverflow: What does COM stand for in objdump symbol table?
• 從 Singleton 談 constructor
• stackoverflow: .bss vs COMMON: what goes where?
• Sw@y's Notes: ELF中的.bss section和COMMON section
• GNU linker ld: Linker Scripts
• man nm