标准库
在刚刚上面的例子中，我们发现了一个简单的 HelloWorld 程序，也是需要和操作系统发生关系的。这种关系在编译过程里，主要就是通过“链接”操作系统的“库”来体现。那么下一个需要了解的问题就是：编译器软件是通过什么规则来把“库”和你的程序“链接”起来的呢？
可能很多人对于代码里的那行 #include <stdio.h> 印象深刻，觉得“链接”这个过程和这行代码一定有极大的关系。而事实上，确实有一点点关系，但关系不大。我们可以来做一个试验，把我们的 HelloWorld 文件 hello.c 改成下面这样：
int printf(const char *format, ...); int main() { printf("Hello, World!\n"); }
可以看到这样的代码，已经没有那行“神奇”的 include 代码了。我们可以尝试编译一下：
clang hello.c
你会发现，这样照样可以生成 a.exe，并且运行结果还是一样的正常！这就说明了，stdio.h 里面并没有什么神奇的东西，对于我们这个程序有用的，也就是一行普通的“函数声明”而已！
int printf(const char *format, ...);
所谓 函数声明：一行用来说明某个函数的调用方式的代码，编译器会根据这行代码，来判断后面的代码，对于此函数的使用格式是否正确。
编译器并不会纠结当前要编译的这个文件里，是否包含每个用到的函数的完整代码（所谓函数的“定义”），只要是能和“函数声明”对的上，就可以编译成功。关于要调用的函数到底在哪里，如何处理，那会留给“链接”步骤去处理。
在“链接”阶段，编译器会从 hello.o （中间产物，目标文件）中搜索得到 printf() 这个函数没有被“满足”，便会自己能找到的“库”里面搜索，如果找到了能满足 printf() 这个声明的“函数定义”，便会把这个库的 printf() 函数“链接”到最终产物 a.exe 文件里面去。因此最后 a.exe 就是一个可以运行的正常程序了。
编译器在默认的情况下，会自己去搜索一系列的“标准库”和“系统库”。而 printf() 正是属于这些“标准库”的其中一个函数。而保存了这个函数的代码，就是在 kernel32.dll 这个操作系统附带的文件中。需要注意的是，同样这个 printf 函数的代码，在 Linux 和 MacOS 上，是在不同名字的库文件里的。
不管是 Windows 还是 Linux，都以 C 语言库的形式，提供了很多功能，以便开发者可以通过编程来使用操作系统的功能。从这个角度来说，操作系统的用户还包含了程序开发者。
自定义库
从上面的例子中，我们可以感觉到一个事实：C 语言中的“函数”，是基本的程序模块单元。
设想一下，如果我们需要用 C 语言来开发一个大型的程序。这个工作需要很多人参与，并且可能持续一个比较长的开发时间。我们的程序代码应该如何进行划分呢？显然让所有人都把代码加到一个 .c 文件里面，是不可行的。最自然的想法，是能让程序分成很多不同的“模块”，各自单独开发和测试，然后再通过某种机制“组装”在一起。对于 C 语言来说，就是可以把不同的模块，定义为不同的“函数”，写入到不同的 .c 文件中，最后我们可以把这些 .c 文件编译成不同的“库”文件，用链接的方式，生成最终的可执行程序。
很多现代编程语言，都已经把“模块管理”放到语言本身里面的设计了。如 Java 和 Go 都有 import 关键字，C# 有 using 关键字。唯独 C 语言是缺乏这方面的设计的，所以我们需要额外了解这一套特别的机制。
我们可以做一个例子来说明这套机制。
编写库
首先，我们新建一个源文件 add.c，里面定义一个我们自己写的函数 add()，这个函数功能就是做一个简单的加法。
int add(int a, int b) { return a + b; }
C 语言的函数和数学的函数有点像，都有输入参数和返回值：
调用库
一个函数的“返回值、名字、参数列表”这一行，就是这个函数的“声明”。如果其他的 .c 文件想调用这个函数，就需要把函数的声明部分写到调用方的源文件里。因此我们在 hello.c 里面写上 add() 的声明，并且进行调用：
int printf(const char *format, ...); // 声明 int add(int a, int b); // 声明 int main() { int c = add(1, 2); printf("Hello, World! %d\n", c); }
在 main() 中，我们以 int c = add(1,2); 这句调用了 add() 函数，然后把返回值放在变量 c 里面。并且在下面的 printf() 函数中，以 %d 这个定位符，把变量 c 的内容以十进制的格式显示出来。
现在，我们可以尝试编译 hello.c，不出意外，编译器找不到 add() 函数 在哪里，所以没法链接成一个可执行程序。（编译器也把函数和变量这些名字统称为“符号”）
clang hello.c -o hello.exe hello-834397.o : error LNK2019: 无法解析的外部符号 add，函数 main 中引用了该符号 hello.exe : fatal error LNK1120: 1 个无法解析的外部命令 clang: error: linker command failed with exit code 1120 (use -v to see invocation)
生成库文件
为了让编译器能把 add() 函数链接成功，我们需要把 a.c 文件编译成一个“库”。多个包含了机器指令”的目标文件，可以放入一个“库”文件中，以便一起提供给调用者。我们这次需要先准备好装入“库”文件的唯一一个目标文件，把 add.c 编译成 add.o：
clang add.c -c -o add.o
然后我们用命令 llvm-lib 把 add.o 文件放入库文件 add.lib 中：
llvm-lib add.o /out:add.lib
在 Linux 下使用 ar 命令来生成（静态）库，库文件一般是 libadd.a
链接可执行文件
现在我们可以成功的链接出可执行文件了：
clang hello.c -o hello.exe -ladd
注意这里我们的链接命令中，增加了一个 -ladd 的参数，意思就是：链接一个叫 add 的库。这个参数会让编译器，在当前目录寻找 add.lib 这个库文件，然后尝试链接所有未能找到定义的函数。（当然默认的标准库也会一起尝试进行链接）
当我们运行 hello.exe 之后，我们可以看到屏幕上显示了 Hello, World! 3 这行字，表示确实调用了 add() 这个函数。
我们这里生成的 add.lib 文件，被称为“静态库”。对于静态库来说的链接，称为“静态链接”，这种链接方式，并不会需要生成出来的 hello.exe 还依赖 add.lib 文件；而是会把 add() 函数的程序代码，直接复制到 hello.exe 的内部。——这和我们对于 printf() 的链接是不一样的，printf() 的代码并没有复制到 hello.exe 中，而是继续呆在 kernel32.dll 里面，在运行 hello.exe 再去调用 kernel32.dll 的内容。prinf() 这种链接方式，我们称为“动态链接”，而动态链接库文件，一般都是用 .dll 的名字来命名。
我们下面可以尝试把 add() 这个函数，放入一个动态链接库中，让 hello.c 来进行链接，看看有什么不一样。
编写动态链接库
在 windows 上，为了让我们的函数可以被动态链接，我们需要遵守 windows 的规则，修改一下 add.c 的代码，主要就是加上个标记 __declspec(dllexport)：
__declspec(dllexport) int add(int a, int b) { return a + b; }
在 Linux 下，是不需要加这个标记的。
改了 add.c 后，我们的 hello.c 对应的 add() 函数声明也得加上这个标记：
int printf(const char *format, ...); __declspec(dllexport) int add(int a, int b); int main() { int c = add(1, 2); printf("Hello, World! %d\n", c); }
编译并链接
编译动态库之前，同样是需要先编译目标文件：
clang add.c -c -o add.o
然后就可以编译动态库了，注意这次用的是 clang 而不是 llvm-lib 来生成：
clang add.o -shared -o add.dll 正在创建库 add.lib 和对象 add.exp
我们可以看到这个操作，最终生成了三个文件：
add.dll 包含了运行时 add() 函数的程序，.exe 文件的运行，依赖这个文件
add.lib “导入”文件，提供给想要调用 add() 的程序进行链接使用
add.exp “导出”文件，一般不需要额外关注
然后我们进行链接：
clang hello.c -o hello.exe -ladd
在 Windows 下，链接 add.dll 的时候，必须要有 add.lib；在 Linux 下则只需要动态库文件本身这一个文件（一般文件名会是 libadd.so）就可以了，不像 windows 需要有两个文件。
这样我们就得到了 hello.exe
验证动态
运行了 hello.exe 后，结果和原来链接的静态库效果是一样的。但是我们可以用工具来看到确实是动态链接了。
&"C:\Program Files\Microsoft Visual Studio\2022\Community\VC\Tools\MSVC\14.38.33130\bin\Hostx64\x64\dumpbin.exe" /dependents .\hello.exe
显示如下，已经有了一个 add.dll
动态链接和静态链接不同之处，就在于运行程序时，dll 文件必须存在。
> .\hello.exe > Hello, World! 3
如果我们删除了 add.dll，然后运行 hello.exe，你就会发现之前显示的 "Hello, World! 3" 消失了！
> mv add.dll add.d > .\hello.exe >
动态链接库更加有用的地方，在于如果我们修改了 dll 文件的内容，只要替换文件，exe 文件不需要修改，就能使用修改过之后的功能。譬如我们可以把 add() 函数的功能稍微修改一下，让计算的结果加上 100：
__declspec(dllexport) int add(int a, int b) { return a + b + 100; }
然后我们只要重新编译以及生成动态库：
clang add.c -c -o add.o clang add.o -shared -o add.dll
我们无需重新编译 hello.exe，直接运行，就能发现显示的内容已经不同了：从显示“3”到显示“103”。
> .\hello.exe > Hello, World! 103
动态链接库的 dll 文件，作为一种可以拷贝就能用的程序模块，可以被多个不同的 exe 程序所共用，因此操作系统的很多功能，都是通过 dll 来提供的。另外，我们的程序如果需要更新某些功能，也可以让用户下载并覆盖那些有修改的 dll 文件，就能拥有新的功能。
大家在电脑使用中，是不是也有碰到过 dll 文件找不到的错误呢？其实这就是有些软件开发者，认为使用者的电脑中“应该”有，而实际上使用者并没有这些库文件而导致的。以前我最常见的是 DirectX 组件找不到的问题，譬如 DDraw.dll 找不到 。DirectX 是游戏开发者常用的库，因此想要运行使用了这些库的游戏，就必须要要有这批 dll 文件才行。而且很多不同的游戏可能会用到同一套 DirectX 库文件，所以没必要每个游戏都复制一份这些 dll，让玩家去下载安装一次就好了。
头文件
在上面的例子中，我们需要在 hello.c 里面，写上 add.c 里面定义的 add() 函数的声明，才能编译通过。写 hello.c 的人，在没有 add.c 的源代码的情况下，其实是可以链接 add.dll/add.lib 的。但是实际上，add() 函数和 hello.c 往往是不同的人开发的。hello.c 的开发者，在没有 add.c 源码，要怎么知道 add() 函数该如何写声明呢？
所以一般来说，编写 add() 函数和库的作者，除了编译好 add.dll/add.lib 以外，还会编写一份名字为 add.h 的“头文件”，附带在库文件 add.dll/add.lib 上，一起提供给使用者。而使用者只需要在 hello.c 里面，写上 #include "add.h" 就可以代替具体的 add() 函数声明了。
#ifndef ADD_H_ #define ADD_H_ __declspec(dllexport) int add(int a, int b); #endif /* ADD_H_ */
这样的头文件，相当于函数库的“使用手册”，帮使用者对库里面的函数进行调用。我们在最早的 HelloWorld 程序中，看到的 #include <stdio.h>中的 stdio.h，其实也是“标准库”提供给我们的头文件，方便我们能使用操作系统的标准库的。
#include <stdio.h> #include "add.h" int main() { int c = add(1, 2); printf("Hello, World! %d\n", c); }
在 add.h 的内容中，除了函数声明，还有 3 行其他的代码：#ifndef #define #endif。它们并不属于严格意义上的 C 语言代码，而是“预处理”的命令，作用是防止 .h 文件被多次 #include 后发生“重复声明”的编译错误。这种特点体现了 C 语言，在模块管理的设计上确实考虑的不多，需要开发者配合编译器，通过“额外补丁”的方法来解决问题。在后续的大多数语言中，都不需要这些东西了。现在的 C++20 方案中，就加入了模块管理的功能，也是可以告别预处理指令了。
小结
C 语言的函数，不仅仅是编程语言角度上一个可以复用的代码块，而且是最基本的链接单元。操作系统和编译器，使用函数的声明，作为不同的库文件进行链接的接口格式。正是因为大量的操作系统功能，都以 C 函数库的规则，来供开发者链接，所以直接写 C 语言代码来使用操作系统，反而是最方便的做法。网上很多开发者宣称 C 语言适合做“底层开发”，这种和操作系统的适应性，就是其中的理由之一。
下一篇，我们开始讲一下 C 语言的指针到底是什么
此内容由惯性聚合(RSS阅读器)自动聚合整理，仅供阅读参考。 原文来自 — 版权归原作者所有。