【gcc編譯優(yōu)化系列】static與inline的區(qū)別與聯(lián)系

1 問題來源

今天偶然留意到RT-Thread論壇的一個問題帖子，它的題目是RTT-VSCODE插件編譯RTT工程與RTT Studio結果不符，這種編譯問題是我最喜歡深扒的，于是我點進去看了看。

得知，它的核心問題就是有一個類似這樣定義的函數(shù)（為了簡要說明問題，我精簡了代碼）：

/* main.c */

inline void test_func(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    /* do something */

    /* call func */
    test_func(1, 2);

    return 0;
}

然后，問題就是 同一套工程代碼在RT-Thread Studio上能夠編譯通過，但在VSCODE上卻產(chǎn)生錯誤，這個錯誤居然是undefined reference to ‘test_func’。

2 問題分析

看到undefined reference to ‘testfunc’這個錯誤，熟悉C代碼編譯流程的都知道，這是一個典型的鏈接錯誤，也就是說錯誤發(fā)在鏈接階段，鏈接錯誤的原因是找不到testfunc函數(shù)的實現(xiàn)體。

相信你一定也有許多問號？？？？？？

test_func不是定義在main.c里面嗎？？？？？

不就在main函數(shù)的上面嗎？？？？？？

怎么可能會發(fā)生鏈接錯誤呢？？？？？？

我們平時寫函數(shù)不就是這樣寫的嗎？？？？？？

難道這個inline作妖？？？？？？

3 知識點分析

3.1 inline關鍵字是干嘛的？

準確來說，它這個inline是一個C++關鍵字，在函數(shù)聲明或定義中，函數(shù)返回類型前加上關鍵字inline，即可以把函數(shù)指定為內(nèi)聯(lián)函數(shù)。但是由于市面上的大部分C編譯器都可以兼容部分C++的關鍵字和語法，所以我們也經(jīng)常見到inline出現(xiàn)在C代碼中。

3.2 inline與宏定義有什么區(qū)別？

1. 宏定義發(fā)生在預編譯處理階段，它僅僅是做字符串的替換，沒有任何的語法規(guī)則檢查，比如類型不匹配，宏展開后的各種語法問題，的確讓人比較頭疼；
2. inline函數(shù)則是發(fā)生在編譯階段，有完整的語法檢查，在Debug版本中也可以跟普通函數(shù)一樣，正常打斷點進行調(diào)試；
3. 由于處理的階段不一樣，這就導致如果宏函數(shù)展開后仍然是一個函數(shù)調(diào)用的話，它是具有調(diào)用函數(shù)的開銷，包括函數(shù)進棧出棧等等；而inline函數(shù)卻僅僅是函數(shù)代碼的拷貝替換，并不會發(fā)生函數(shù)調(diào)用的開銷，在這一點上inline具有很高的執(zhí)行效率。

3.3 inline函數(shù)與普通函數(shù)有什么區(qū)別？

正如上面提及的，普通函數(shù)的調(diào)用在匯編上有標準的 push 壓實參指令，然后 call 指令調(diào)用函數(shù)，給函數(shù)開辟棧幀，函數(shù)運行完成，有函數(shù)退出棧幀的過程；而 inline 內(nèi)聯(lián)函數(shù)是在編譯階段，在函數(shù)的調(diào)用點將函數(shù)的代碼展開，省略了函數(shù)棧幀開辟回退的調(diào)用開銷，效率高。

3.4 static函數(shù)與普通函數(shù)有什么區(qū)別？

兩者唯一的區(qū)別在于可見范圍不一樣：

1. 不被static關鍵字修飾的函數(shù)，它在整個工程范圍內(nèi)，全局都可以調(diào)用，即其屬性是global的；只要函數(shù)參與了編譯，且最后鏈接的時候把函數(shù)的.o文件鏈接進去了，是不會報undefined reference to ‘xxx’的；
2. 被static關鍵字修飾的函數(shù)，只能在其定義的C文件內(nèi)可見，即其屬性由global變成了local，這個時候如果有另一個C文件的函數(shù)想調(diào)用這個static的函數(shù)，那么對不起，最終鏈接階段會報undefined reference to ‘xxx’錯誤的。

4 解決方案

回到前文的問題，該如何解決這個問題呢？我的想法，有兩種解決思路：

4.1 放棄inline函數(shù)的優(yōu)勢，將inline函數(shù)修改為普通函數(shù)

這個方法很簡單，無非就是去掉inline，做個降維處理，把inline函數(shù)變成普通函數(shù)，自然編譯鏈接就不會報錯。但我想，既然寫代碼的原作者加了inline，肯定是希望用上inline的高效率的特性，所以去掉inline顯然不是一個明智的選擇。

4.2 對inline函數(shù)加上static修飾

這一個做法，就可以很聰明地把它的問題給解決了。一個函數(shù)被static和inline修飾，證明這個函數(shù)是一個靜態(tài)的內(nèi)聯(lián)函數(shù)，它的可見范圍依然是當前C文件，且同時具備inline函數(shù)的特性。

5 知其然且知其所以然

5.1 實踐出真理

為了驗證4.2的改法是否有效， 我在rt-thread/bsp/qemu-vexpress-a9中快速做個驗證，只需要在applications/main.c里面添加下面的測試代碼：

/* applications/main.c */
static inline void test_func(int a, int b)
{
  printf("%d, %d\n", a, b);
}

int main(void)
{
    printf("hello rt-thread\n");

    test_func(1, 2);

    return 0;
}

特此說明下，我使用的交叉編譯鏈是：gcc-arm-none-eabi-5_4-2016q3/bin/arm-none-eabi-gcc

然后使用scons編譯，果然編譯成功了，運行rtthread.elf，功能一切正常。

而當我去掉static的時候，期望中的鏈接錯誤果然出現(xiàn)了。

LINK rtthread.elf
build/applications/main.o: In function `main':
/home/recan/win_share_workspace/rt-thread-share/rt-thread/bsp/qemu-vexpress-a9/applications/main.c:253: undefined reference to `test_func'
collect2: error: ld returned 1 exit status
scons: *** [rtthread.elf] Error 1
scons: building terminated because of errors.

為了做進一步驗證，我在rtconfig.py里面的CFLAGS加了一個編譯選項：-save-temps=obj；這個選項的作用就是在編譯的過程中，把中間過程文件也同步輸出，這里的中間文件有以下幾個：

xxx.o 文件：這是最終對應單個C文件生成的二進制目標文件，這個文件是最終參與鏈接成可執(zhí)行文件的。

xxx.s 文件：這是由預編譯處理后的xxx.i文件編譯得到的匯編文件，里面描述的是匯編指令；

xxx.i 文件：這是預編譯處理之后的文件，比如想宏定義被展開之后是怎么樣的，就可以看這個文件；

關于使用GCC編譯C程序的完整過程這個話題，我已經(jīng)整理出來了，分享分享給大家，畢竟這個知識點，對于解決編譯問題可是幫助非常大的。

5.2 實踐結果分析

為了做對比，我把整個編譯執(zhí)行了兩次，一次是加上static的，一次是不加static的；

5.2.1 .i文件對比

對比結果如下，使用的是linux下的diff命令

diff ./build/applications/main.i.nostatic ./build/applications/main.i.static
4516c4516
<             inline void test_func(int a, int b)
---
> static inline void test_func(int a, int b) 

結果我們發(fā)現(xiàn)如我們期望一樣，nostatic的僅比static的少了一個static修飾符，其他都是一樣的。

5.2.2 .s文件對比

.s文件使用文本對比工具，發(fā)現(xiàn)加了static的.s文件，里面有test_func的匯編實現(xiàn)代碼，而不加的這個函數(shù)直接就被優(yōu)化掉了，壓根就找不到它的實現(xiàn)。

5.2.3 .o文件對比

由于.o文件已經(jīng)不是可讀的文本文件了，我們只能通過一些命令行工具來查看，這里推薦linux命令行下的nm工具，具體用途和方法可以使用man nm查看下。這里直接給出對比的命令行結果：

nm -a ./build/applications/main.o.nostatic | grep test_func
         U test_func

nm -a ./build/applications/main.o.static | grep test_func  
000002d8 t test_func 

OK，從中已經(jīng)可以看到重要區(qū)別了：在不帶static的版本中，main.c里定義的testfunc函數(shù)被認為是一個外部函數(shù)（標識為U），而被static修飾的卻是本地實現(xiàn)函數(shù)（標識為T）。 而標識為U的函數(shù)是需要外部去實現(xiàn)的，這也就解釋了為何nostatic的版本會報undefined reference to 'testfunc' 錯誤，因為壓根就沒有外部的誰去實現(xiàn)這個函數(shù)。

5.4 終極實驗

5.4.1 補充測試代碼

為了驗證好這幾個關鍵字的區(qū)別，以及為何加了inline還不內(nèi)聯(lián)，如何才能真正的內(nèi)聯(lián)，我補充了一下測試代碼：

#include 

#if 0
/* only inline function : link error ! */
inline void test_func(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}
#endif

/* normal function: OK */
void test_func1(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}

/* static function: OK */
static void test_func2(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}

/* static inline function: OK, but no real inline */
static inline void test_func3(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}

/* always_inline is very important*/
#define FORCE_FUNCTION  __attribute__((always_inline))

/* static inline function: OK, it real inline. */
FORCE_FUNCTION static inline void test_func4(int a, int b)
{
    printf("%d, %d\n", a, b);
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
    printf("Hello world !\n");

    /* call these functions with the same input praram */
    //test_func(1, 2);
    test_func1(1, 2); // normal
    test_func2(1, 2); // static
    test_func3(1, 2); // static inline (real inline ?)
    test_func4(1, 2); // static inline (real inline ?)

    return 0;
}

5.4.2 編譯驗證

執(zhí)行編譯

gcc main.c -save-temps=obj -Wall -o test_static -Wl,-Map=test_static.map

成功編譯，運行也完全沒有問題。

./test_static 
Hello world !
1, 2
1, 2
1, 2
1, 2

5.4.3 進階分析

通過上面的章節(jié)，我們可以知道，我們應該重點分析.s文件和.o文件，因為.o文件不可讀，我們用nm-a查看下：

 nm -a test_static.o | grep test_func
0000000000000000 T test_func1
000000000000002e t test_func2
000000000000005c t test_func3

結果發(fā)現(xiàn)test_func4不在里面了，看樣子是被真正inline了？ 我們打開.s文件確認下：

    .file   "main.c"
    .text
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "%d, %d\n"
    .text
    .globl  test_func1
    .type   test_func1, @function
test_func1:
.LFB0:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    %esi, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %edx
    movl    -4(%rbp), %eax
    movl    %eax, %esi
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    movl    $0, %eax
    call    printf@PLT
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE0:
    .size   test_func1, .-test_func1
    .type   test_func2, @function
test_func2:
.LFB1:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    %esi, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %edx
    movl    -4(%rbp), %eax
    movl    %eax, %esi
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    movl    $0, %eax
    call    printf@PLT
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE1:
    .size   test_func2, .-test_func2
    .type   test_func3, @function
test_func3:
.LFB2:
    .cfi_startproc
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $16, %rsp
    movl    %edi, -4(%rbp)
    movl    %esi, -8(%rbp)
    movl    -8(%rbp), %edx
    movl    -4(%rbp), %eax
    movl    %eax, %esi
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    movl    $0, %eax
    call    printf@PLT
    nop
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE2:
    .size   test_func3, .-test_func3
    .section    .rodata
.LC1:
    .string "Hello world !"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB4:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $32, %rsp
    movl    %edi, -20(%rbp)
    movq    %rsi, -32(%rbp)
    leaq    .LC1(%rip), %rdi
    call    puts@PLT
    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func1
    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func2
    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func3
    movl    $1, -8(%rbp)
    movl    $2, -4(%rbp)
    movl    -4(%rbp), %edx
    movl    -8(%rbp), %eax
    movl    %eax, %esi
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    movl    $0, %eax
    call    printf@PLT
    nop
    movl    $0, %eax
    leave
    .cfi_def_cfa 7, 8
    ret
    .cfi_endproc
.LFE4:
    .size   main, .-main
    .ident  "GCC: (Ubuntu 9.3.0-17ubuntu1~20.04) 9.3.0"
    .section    .note.GNU-stack,"",@progbits
    .section    .note.gnu.property,"a"
    .align 8
    .long    1f - 0f
    .long    4f - 1f
    .long    5
0:
    .string  "GNU"
1:
    .align 8
    .long    0xc0000002
    .long    3f - 2f
2:
    .long    0x3
3:
    .align 8
4:

從中，我們可以看到testfunc1與testfunc2的區(qū)別是testfunc1是GLOBAL的，而testfunc2是LOCAL的；而testfunc2與testfunc3卻是完全一模一樣；也就是說testfunc3使用static inline壓根就沒有被內(nèi)聯(lián)。 我們再找找testfunc4，發(fā)現(xiàn)已經(jīng)找不到了，到底是不是內(nèi)聯(lián)了？我們再看看main函數(shù)里面調(diào)用的部分：

main:
.LFB4:
    .cfi_startproc
    endbr64
    pushq   %rbp
    .cfi_def_cfa_offset 16
    .cfi_offset 6, -16
    movq    %rsp, %rbp
    .cfi_def_cfa_register 6
    subq    $32, %rsp
    movl    %edi, -20(%rbp)
    movq    %rsi, -32(%rbp)
    leaq    .LC1(%rip), %rdi
    call    puts@PLT

    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func1  //調(diào)用test_func1函數(shù)

    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func2  //調(diào)用test_func2函數(shù)

    movl    $2, %esi
    movl    $1, %edi
    call    test_func3  //調(diào)用test_func3函數(shù)

    movl    $1, -8(%rbp)
    movl    $2, -4(%rbp)
    movl    -4(%rbp), %edx
    movl    -8(%rbp), %eax
    movl    %eax, %esi
    leaq    .LC0(%rip), %rdi
    movl    $0, %eax
    call    printf@PLT
    nop
    movl    $0, %eax
    leave               //“調(diào)用”test_func4函數(shù)，使用了內(nèi)聯(lián)，直接拷貝了代碼，并不是真的函數(shù)調(diào)用。


    .cfi_def_cfa 7, 8

嘩，果然，這才是真正的內(nèi)聯(lián)啊，我們終于揭開了這個神秘的面紗。

5.4 實踐經(jīng)驗總結

• inline有利有弊，切記使用的時候，最好讓它跟static一起使用，否則可能導致的問題超出你的想象。
• 加了inline，不是你想內(nèi)聯(lián)，編譯器就一定會幫你內(nèi)聯(lián)的，還得看代碼的實現(xiàn)。
• 如果要強制內(nèi)聯(lián)，還得加參數(shù)修飾，每個C編譯器的方法還不一樣，比如gcc的是使用_attribute((alwaysinline))修飾定義的函數(shù)即可。

6 更多分享

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審核編輯：湯梓紅