Linker

V této sekci si vysvětlíme detailněji, jak probíhá překlad C programů, jehož základní fungování již bylo stručně popsáno v sekci o překladu. Díky tomu pak budeme schopni vytvářet programy skládající se z více než jednoho zdrojového souboru.

Prozatím jsme naše programy (skládající se z jediného zdrojového souboru) překládali pomocí příkazu podobnému tomuto:

$ gcc soubor.c -o program

Tímto příkazem jsme ve skutečnosti prováděli dvě věci najednou: překlad (translation) a linkování (linking). Níže si vysvětlíme obě dvě tyto části detailněji.

Překlad a linkování se dohromady nazývá kompilace programu.

Překlad programu

Programy v C se skládají z jedné či více tzv. jednotek překladu (translation unit). Jedná se o nezávislé komponenty, ze kterých je nakonec vytvořen cílový program. Každá jednotka je obvykle tvořena jedním zdrojovým souborem (obvykle s příponou .c). Pří překladu překladač převede jednotku ze zdrojového kódu v C do instrukcí procesoru, tzv. objektového kódu (object code).

Pokud chceme překladačem gcc (pouze) přeložit zdrojový soubor do objektového kódu (resp. objektového souboru), použijeme přepínač -c:

$ gcc -c soubor.c

Pokud nezadáme název výstupu pomocí přepínače -o, tak gcc implicitně vytvoří objektový soubor <nazev-vstupu>.o (tj. zde soubor.o).

Jednotky překladu jsou na sobě nezávislé, můžeme tedy každou jednotku (zdrojový soubor) přeložit zvlášť:

$ gcc -c a.c
$ gcc -c b.c
...

Jak ale nyní jednotlivé soubory propojíme? Aby vůbec mělo rozdělení do více jednotek (souborů) smysl, tak musíme mít možnost v jednom souboru používat kód (např. funkce nebo globální proměnné), který je nadefinovaný v jiném souboru. V C toto propojení jednotek neprobíhá při překladu, ale až v následné fázi nazývané linkování.

Linkování programu

Jakmile přeložíme všechny naše zdrojové soubory postupně do objektových souborů, potřebujeme z nich vytvořit finální spustitelný soubor, což je práce programu nazývaného linker. Linker obdrží seznam všech (již přeložených) objektových souborů, ze kterých se má program skládat, propojí je dohromady a vytvoří z nich spustitelný soubor.

Jak propojení jednotlivých souborů probíhá? Představme si například, že v souboru a.c voláme funkci foo, která v tomto souboru neexistuje. Při překladu tohoto souboru překladač vytvoří objektový soubor a.o, ve kterém bude uložena informace, že voláme funkci foo. Dejme tomu, že tato funkce existuje v souboru b.c, který je přeložen do objektového souboru b.o. Při linkování linker obdrží seznam všech objektových souborů, tedy a.o i b.o. Když narazí na informaci, že z a.o chceme volat funkci foo, pokusí se tuto funkci naleznout v některém z předaných objektových souborů:

• Pokud jej nenalezne, tak vypíše chybu a program se nepřeloží¹.

  ¹V takovém případě byste se setkali s chybou undefined reference to 'foo'.

• Pokud jej nalezne (v tomto případě v b.o), tak volání funkce "propojí" tak, aby se volala správná funkce původně vytvořená v b.c.

Manuální použití linkeru² je relativně složité, proto i linker budeme používat přes gcc. Tomu můžeme předat sadu objektových souborů a on se postará o správné zavolání linkeru, který je spojí a vytvoří finální spustitelný soubor:

$ gcc a.o b.o -o program

Při finálním linkování programu také dochází ke kontrole toho, jestli je v některém z objektových souborů obsažena funkce main, aby program věděl, kde má začít své vykonávání.

Proč takto složitě?

Možná vás napadlo, proč kompilace C programů probíhá takto komplikovaně a nestačí prostě překladači dát všechny zdrojové soubory našeho programu tak, jak jsme to dělali doposud:

$ gcc soubor1.c soubor2.c soubor3.c ...

Ve skutečnosti i to lze provést (tento postup se nazývá tzv. unity build). Nicméně má dvě vážné nevýhody:

• Pokud bychom neuměli používat zvlášť překladač a linker, nemohli bychom používat knihovny, u kterých obvykle nemáme přístup k samotnému zdrojovému kódu, ale pouze k již přeloženému objektovému kódu³.

  ³Například proto, aby autor knihovny zatajil původní zdrojový kód, který je jeho duševním vlastnictvím.

• Pokud bychom překládali celý náš program najednou, při sebemenší změně kódu bychom museli přeložit všechny soubory znovu. Pokud bychom tak měli obrovský program s tisícem zdrojových souborů a změnili jeden znak v jednom souboru, muselo by se všech tisíc souborů přeložit znovu, což může být dost pomalé⁴. Pokud překládáme každý soubor zvlášť, tak po změně v jednom souboru stačí přeložit daný soubor a znovu slinkovat všechny objektové soubory (ty původní můžeme znovuvyužít, protože se nezměnily). To je u velkých programů mnohem rychlejší než překládat vše od nuly.

  ⁴Velké programy v C může trvat přeložit klidně i několik hodin nebo dokonce dnů!