gcc编译选项--fcommon

Multiple Definition 错误

最近在龙蜥操作系统上编译时，出现了 multiple definition 错误（重复定义错误）。查看代码后，发现有几个变量确实是重复定义了。

问题原因：在一个 .h 文件中定义了一个变量，多个 .c 文件又包含了这个 .h 文件，导致该变量在多个 .c 文件中重复定义，链接时报错。

修复方法：在 .h 文件中的变量统一加上 extern 声明，然后只有一个 .c 文件负责定义和初始化该变量。这样可以避免重复定义，编译也能顺利通过。

GCC 版本差异

代码确实存在问题，但在其他操作系统上并不会报错，只是出现警告，因此很好奇这是为什么。网上搜索后，发现了一篇很好的文章：https://club.rt-thread.org/ask/article/5fb1ecf297a83492.html

关键发现：GCC 版本在 10 版本后，默认关闭了 -fcommon 选项，改为使用 -fno-common。让我们来看看这个选项的描述：

-fcommon
In C code, this option controls the placement of global variables defined without an initializer, known as tentative definitions in the C standard. Tentative definitions are distinct from declarations of a variable with the extern keyword, which do not allocate storage.

The default is -fno-common, which specifies that the compiler places uninitialized global variables in the BSS section of the object file. This inhibits the merging of tentative definitions by the linker so you get a multiple-definition error if the same variable is accidentally defined in more than one compilation unit.

The -fcommon places uninitialized global variables in a common block. This allows the linker to resolve all tentative definitions of the same variable in different compilation units to the same object, or to a non-tentative definition. This behavior is inconsistent with C++, and on many targets implies a speed and code size penalty on global variable references. It is mainly useful to enable legacy code to link without errors.

文章已经讲解得很清楚，这里总结一下我的理解：

-fno-common（GCC 10+ 默认）

• 作用：当使用 -fno-common 选项时，编译器将未初始化的全局变量放置在 BSS 段中
• 链接器行为：未初始化的全局变量会被视为强符号。在链接阶段，如果相同的未初始化全局变量在多个编译单元中被定义，链接器会将其视为重复定义，并报告错误。也就是说，链接器不会合并这些变量的定义，任何多个定义的冲突都会导致链接错误

-fcommon（GCC 9 及以下默认）

• 作用：当使用 -fcommon 选项时，编译器会将未初始化的全局变量放入一个 COMMON 块中
• 链接器行为：COMMON 块是一种特殊的内存区域，允许链接器在链接阶段合并同名的未初始化全局变量的定义。即使这些变量在多个编译单元中被定义，链接器会将它们合并为一个单一的变量对象

总结：使用 -fcommon 时，未初始化的全局变量放在 COMMON 块，允许重复定义，链接期会合并为 1 个。

潜在问题

GCC 默认的链接器行为是，如果在链接过程中发现重复的符号，它会选择第一个找到的符号，并忽略后续的符号。这意味着，链接器会使用第一个定义的符号（包括它的数据类型），而忽略后续定义的符号。

但是，两个变量使用的内存初始地址是一样的。例如，一个 int a 和 double a 其实共用一块内存：

• int 占 4 个字节
• double 占 8 个字节

这样可能导致严重问题。假设 int a 后面还有一个 int b，b 占用了 a 后面的 4 个字节。如果同时存在 double a，那么 b 和 double a 会共用一块内存，肯定会有问题。

使用 -fno-common 后：未初始化的全局变量现在会放到 BSS 段，属于强符号，不允许重复定义，从而避免了上述问题。

内存模型

C语言程序的内存通常被分为几个主要区域：

• Text段（代码段）：
  • 作用：存放程序的可执行代码，包括所有函数和指令。
  • 属性：通常是只读的，以防止程序代码在运行时被修改，并且可以在多个进程间共享。
• Data段（数据段）：
  • 作用：存放已初始化的全局变量和静态变量。
    • .data段：包含初始化的全局和静态变量。
    • .rodata段：包含只读的初始化数据（如字符串常量）。
• BSS段：
  • 作用：存放未初始化的全局变量和静态变量。程序加载时，这部分内存会被自动初始化为0。
  • 特点：在可执行文件中不占用实际空间，只有在程序运行时才分配内存。
• 堆（Heap）：
  • 作用：动态分配内存区域，通过函数如malloc()和free()进行管理。用于存放动态分配的数据结构。
  • 管理：需要程序员手动管理内存分配和释放，避免内存泄漏和悬挂指针。
• 栈（Stack）：
  • 作用：存放局部变量、函数参数和返回地址。每个函数调用时会在栈上分配一个栈帧。
  • 特点：栈内存的分配和释放由系统自动管理。栈大小通常有限，如果超出栈空间会导致栈溢出。

强符号/弱符号

对于全局变量来说，如果初始化了不为0的值，那么该全局变量则被保存在data段，如果初始化的值为0，那么将其保存在bss段，如果没有初始化，则将其保存在common段，等到链接时再将其放入到bss段。关于第三点不同编译器行为会不同，有的编译器会把没有初始化的全局变量直接放到bss段，也就是gcc的-fcommon与-fno-common属性的差异。

绝大多数情况下，函数和已初始化的变量是强符号，而未初始化的变量是弱符号。对于它们，下列三条规则适用：

1. 同名的强符号只能存在一个。
2. 一个强符号可以和多个同名的弱符号共存，但调用时会选择强符号的值。
3. 有多个弱符号时，链接器可以选择其中任意一个。

librdkafka 的编译问题

目前 librdkafka 的最新版本是 2.5，最近需要升级这个库，于是在十几个操作系统上编译测试。发现有 3 个编译报错：

1. SSL 依赖问题：其中一个是因为依赖的 libssl 没找到，在 lib64 指定了 libssl.so 后编译通过。官方最近刚修复了这个问题，即使没找到 SSL 依赖也能编译成功，有点巧合。

2. typedef 重复定义问题：还有 2 个操作系统报了 redefinition of typedef 错误：

   • SUSE SP4
   • CentOS 6

在 GitHub 上搜索后，发现这是老问题，这个项目以前经常会遇到这个错误，看起来已经修复过了，但现在还会有错误？

关键发现：这 2 个操作系统的 GCC 都是 4.4，版本比较低。而其他编译成功的操作系统，GCC 版本有 4.8、7.3、8.3、10.3、12.3。也就是说，旧版本的 GCC 反而会报错。

代码分析

找了一个变量查看代码：

typedef struct rd_kafka_toppar_s rd_kafka_toppar_t;

在 rdkafka_int.h 和 rdkafka_op.h 都定义了这个类型，然后 rdkafka_op.c 都包含了这两个头文件，很明显是重复定义了。

C 语言标准差异

ISO/IEC 9899:1999（C99 之前） 6.7.3 中描述：

If an identifier has no linkage, there shall be no more than one declaration of the identifier
(in a declarator or type specifier) with the same scope and in the same name space, except
for tags as specified in 6.7.2.3.

C99 标准 中：

If the same qualifier appears more than once in the same specifier-qualifier-list, either
directly or via one or more typedefs, the behavior is the same as if it appeared only
once.

结论：

• 以前的 C 标准不允许重复声明
• C99 开始允许了，因此代码这么写没有问题
• 只是老版本的 GCC 遵循老的 C 标准，编译会报错

但是 librdkafka 明确表示以后不支持 CentOS 6 和 7，所以也没什么好说的。CentOS 8 的 GCC 版本一般为 8.3，可以正常编译。后续需要推动客户升级操作系统，毕竟后续会出现越来越多的兼容性问题。