浅谈C语言中的强符号、弱符号、强引用和弱引用

强符号、弱符号、强引用和弱引用

符号的概念

在C语言中，符号通常指的是变量、函数或者地址的名称。当我们使用这些名字的时候，编译器会将其转换成对应的地址或者值。但是，有些情况下我们并不希望这些名字被编译器处理，而是需要自己处理这些名字所代表的地址或者值，这就需要了解符号的相关概念。

符号的属性

在C语言中，符号有四个属性：强符号、弱符号、强引用和弱引用。这四个属性是程序运行过程中的重要概念，深入理解它们有助于我们更好地理解链接和符号的工作原理。

强符号

强符号是指在链接过程中会被优先选中的符号。当程序中存在多个同名符号时，链接器会选择这些符号中属性最强的一个作为最终的符号。在C语言中，全局变量和函数都是强符号，它们的地址无法被改变，链接器会优先使用它们。

例如，我们声明了一个全局变量和一个函数：

int global_var = 0;

void func() {
    global_var = 1;
}

编译后得到的汇编代码如下：

_global_var:
    .long 0

_func:
    push ebp
    mov ebp, esp
    mov dword ptr [_global_var], 1
    pop ebp
    ret

可以看到，变量global_var和函数func都被编译器赋予了标号，这些标号成为了强符号。

弱符号

弱符号是指在链接过程中，如果存在多个同名符号，则链接器会选择属性最弱的符号作为最终的符号。在C语言中，静态变量和函数都是弱符号，它们的地址可以被改变。

例如，我们声明了一个静态变量和一个静态函数：

static int static_var = 0;

static void static_func() {
    static_var = 1;
}

编译后得到的汇编代码如下：

_static_var:
    .long 0

_static_func:
    push ebp
    mov ebp, esp
    mov dword ptr [_static_var], 1
    pop ebp
    ret

可以看到，静态变量static_var和静态函数static_func都被编译器赋予了标号，这些标号成为了弱符号。

强引用

强引用是指在程序中直接引用一个符号，链接器会将这个符号和它在程序中的位置联系起来。在C语言中，对全局变量和函数的直接引用都是强引用。

例如，我们在代码中使用了全局变量和函数：

#include <stdio.h>

int global_var;

void func();

int main() {
    global_var = 1;
    func();
    printf("global_var: %d\n", global_var);
    return 0;
}

编译后得到的汇编代码如下：

_main:
    push ebp
    mov ebp, esp
    mov dword ptr [_global_var], 1
    call _func
    push dword ptr [_global_var]
    push OFFSET FLAT:.LC0
    call _printf
    add esp, 8
    xor eax, eax
    pop ebp
    ret

可以看到，在代码中对全局变量global_var和函数func的引用都是强引用。

弱引用

弱引用是指在程序中间接引用一个符号，链接器不会将这个符号联系起来。在C语言中，对静态变量和函数的间接引用、对全局变量和函数的非直接引用都是弱引用。

例如，我们声明了一个静态变量和一个静态函数，通过另一个函数间接引用它们：

#include <stdio.h>

static int static_var = 0;

static void static_func() {
    static_var = 1;
}

void call_static_func() {
    static_func();
}

int main() {
    call_static_func();
    printf("static_var: %d\n", static_var);
    return 0;
}

编译后得到的汇编代码如下：

_static_var:
    .long 0

_static_func:
    push ebp
    mov ebp, esp
    mov dword ptr [_static_var], 1
    pop ebp
    ret

_call_static_func:
    push ebp
    mov ebp, esp
    call _static_func
    pop ebp
    ret

_main:
    push ebp
    mov ebp, esp
    call _call_static_func
    push dword ptr [_static_var]
    push OFFSET FLAT:.LC0
    call _printf
    add esp, 8
    xor eax, eax
    pop ebp
    ret

可以看到，在主函数中对静态变量static_var和静态函数static_func的引用都是弱引用，而在call_static_func函数中对静态函数static_func的引用是强引用。

总结

符号的属性对C语言程序链接和运行有着重要的影响。强符号和弱符号主要涉及到程序在链接阶段对同名符号的选择，并且强符号的地址无法被改变，而弱符号的地址是可以被改变的。强引用和弱引用主要涉及到程序中对符号的直接引用和间接引用。深入理解这些概念有助于我们更好地理解链接和符号的工作原理。

示例1

我们假设有两个文件a.c和b.c，其中a.c定义了一个全局变量，b.c中包含了一个函数，这个函数对全局变量进行了修改。我们来看一下这个程序的运行结果，及其背后的原因。

a.c

#include <stdio.h>

int global_var = 0;

int main() {
    printf("before modify: %d\n", global_var);
    modify_global_var();
    printf("after modify: %d\n", global_var);
    return 0;
}

b.c

#include <stdio.h>

extern int global_var;

void modify_global_var() {
    global_var = 1;
}

$ gcc a.c b.c
$ ./a.out
before modify: 0
after modify: 1

可以发现，程序运行后，全局变量global_var的值从0变为了1。这是因为在链接阶段，链接器优先选择了a.c中定义的全局变量，并将这个全局变量与b.c中的函数进行了连接。因此，在b.c中修改全局变量的值，实际上是修改了a.c中定义的全局变量。

示例2

我们再来研究一个例子，这个例子中声明了一个静态变量和一个静态函数，这个函数对这个静态变量进行了修改。我们来看一下这个程序的运行结果，以及背后的原因。

#include <stdio.h>

static int static_var = 0;

static void static_func() {
    static_var = 1;
}

void call_static_func() {
    static_func();
}

int main() {
    call_static_func();
    printf("static_var: %d\n", static_var);
    return 0;
}

$ gcc main.c
$ ./a.out
static_var: 0

可以发现，程序运行结束后，静态变量static_var的值还是0，没有被函数修改。这是因为对静态变量和静态函数的引用都是弱引用，静态变量的地址可以被改变，而静态函数的优先级比全局变量低，因此链接器不会将静态函数与静态变量进行连接。因此，函数对静态变量的修改并没有生效。