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C++ multiple definition 总结

C++ multiple definition 总结

作者: ben大福 | 来源:发表于2020-07-01 22:47 被阅读0次

    背景

    最近尝试编译C++项目,编译的时候遇到如下报错:

    .obj/Inotify.o:(.bss+0x0): multiple definition of `EVENT_NAME'
    .obj/FileServer.o:(.bss+0x0): first defined here
    .obj/server_main.o:(.bss+0x0): multiple definition of `EVENT_NAME'
    .obj/FileServer.o:(.bss+0x0): first defined here
    collect2: error: ld returned 1 exit status
    Makefile:71: recipe for target 'server_main' failed
    make: *** [server_main] Error 1
    
    

    回头看代码发现头文件Inotify.h这个文件在FileServer.h中已经被引用,然后再server_main.cc文件中又引用了FileServer.h这个文件,但是在最后执行

    g++ .obj/Server.grpc.pb.o .obj/Server.pb.o .obj/Prepare.o .obj/FileServer.o .obj/Thread.o .obj/Inotify.o .obj/server_main.o -L /usr/local/lib   -std=c++11 `pkg-config --libs protobuf grpc++ grpc` -Wl,--no-as-needed -lgrpc++_reflection -Wl,--as-needed -ldl  util/.obj/File.o  -o server_main
    
    

    命令进行链接的时候,将所有的目标文件装载到同一环境的时候出现了重复定义的问题,后来尝试将变量EVENT_NAME变成static就好了,于是就研究了一下出现这种问题的原因。

    编译、链接过程

    • 预处理将伪指令(宏定义、条件编译、和引用头文件)和特殊符号进行处理
      • 预处理程序将include头文件的内容包含进源文件,这个过程完成后,头文件就没用了
    • 编译过程通过词法分析、语法分析等步骤生成汇编代码的过程,过程中还会进行优化
    • 汇编过程将汇编代码翻译为目标机器指令的过程(.o文件,至少包含代码段和数据段)
    • 链接程序将所有需要用到的目标代码(变量函数或其他库文件等)装配到一个整体中(可分为静态链接和动态链接)

    问题

    如果在头文件中定义了变量(是定义不是声明),并分别在a.c和b.c中进行了引用,编译过程中这个变量的符号会同时包含在a.o和b.o中,导致链接失败,原因是C语言规定“一个变量可以多次声明但只能定义一次”,解决办法是在头文件中加上#ifndef X条件编译,使该变量只定义一次,但是这里又有一个问题,该解决办法只适用C而不适用C++,在C++中,即使在头文件中加了#ifndef X,链接错误同样会发生,原因是C++中#ifndef X的作用域仅在单个文件中,因此只要在.h中定义了变量并在不同.cpp中进行引用,链接时都会报重定义错误,再说得直白点,a.cpp和b.cpp都引用了条件编译的g.h,g.h的条件编译只能分别保证在a.cpp和b.cpp中不出现重复定义,但在链接a.o和b.o的过程中就会发现重复定义。

    下面是一个错误的例子:

    #ifndef __CONST_H__
    #define __CONST_H__
    
    const char *zutypes[] = {
    
        "CL", "CY", "GM", "SSD", "XC", "ZS", "ZWX", "LS"
        , "KQWR", "LY", "KT", "DY", "FS", "GJ", "HC"
        , "JT", "LK", "YS", "MF", "YSH", "PJ", "FFZ"
        , "HZ", "TGWD", "FH", "XQ", "YD", "YH"
    
    };   // 28种指数类型映射表
    
    #endif // __CONST_H__
    
    // hfTrans.h
    #ifndef __HFTRANS_H__
    #define __HFTRANS_H__
    
    #include "const.h"
    
    #endif // __HFTRANS_H__
    
    // hfTrans.cpp
    #include "hfTrans.h"
    ...
    
    // main.cpp
    #include "hfTrans.h"
    ...
    
    

    编译输出:

    Linking console executable: bin/Debug/main
    obj/Debug/main.o:(.data+0x0): multiple definition of `zutypes'
    obj/Debug/hfTrans.o:(.data+0x0): first defined here
    collect2: ld 返回 1
    Process terminated with status 1 (0 minutes, 0 seconds)
    0 errors, 0 warnings
    
    

    解决方法

    变量前用static修饰

    static限制了变量的作用域,该变量仅在引用.h的源文件中有效,也就是说.h被引用了几次这个变量就被定义了几次,且各变量之间互不影响(各变量具有不同的内存地址)。这种方法不适用于定义全局变量,因为它们不是同一个变量(相当于多个同名的人住在不同的地方)。

    例子:

    // global.h
    #ifndef __GLOBAL_H__
    #define __GLOBAL_H__
    
    #include <stdio.h>
    
    static int var = 10;
    
    #endif
    
    // test1.cpp
    #include "global.h"
    
    void print1()
    {
        printf("%p = %d\n", &var, var);    // 打印变量的内存地址
    }
    
    // test2.cpp
    #include "global.h"
    
    void print2()
    {
        printf("%p = %d\n", &var, var);
    }
    
    // main.cpp
    #include "global.h"
    
    extern void print1();
    extern void print2();
    
    int main()
    {
        print1();
    
        var = 5;
        printf("%p = %d\n", &var, var);
    
        print2();
    
        return 0;
    }
    
    

    输出结果:

    0x8049840 = 10
    0x804983c = 5
    0x8049844 = 10  # var地址各不相同,内容互不影响
    Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.046 s
    Press ENTER to continue.
    
    

    根据static的上述特性,在源文件开头处(紧跟include后)可直接定义static非全局变量。

    变量前用const修饰

    表示此变量是常量,内容不可修改,与static特性相似,该常量仅在引用.h的源文件中有效。将上述例子中的static关键字修改为const,可以发现每个源文件的var地址依然不同,因此这种方法也不适用于定义全局变量(当然,在某种程度上,如果不在乎重复分配内存也可以用这种方法)。

    例子:

    // global.h
    #ifndef __GLOBAL_H__
    #define __GLOBAL_H__
    
    #include <stdio.h>
    
    const int var = 10;
    
    #endif
    
    

    输出结果:

    0x80485e0 = 10
    0x80485d0 = 10
    0x80485f0 = 10
    Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.005 s
    Press ENTER to continue.
    
    

    到这里可以发现在C++中,const和static一样都可以使变量具有内部链接属性。只有变量的作用域为当前模块时,该变量才可以在头文件中定义,否则链接时就会报重定义错误,因此只有const和static变量可以在头文件中定义。另外在C++中,const值在编译期间被保存在符号表中,即使在运行期间通过间接方法改变了const值(改变的其实是内存中的拷贝),输出值也不会改变。

    根据const的上述特性,在源文件开头处(紧跟include后)可直接定义const非全局常量。

    定义一般常量没有问题,需要注意的是用const定义指针,指针必须符合上述原则才能通过链接

    // global.h
    
    const char str[][8] = { "Hello, ", "World!" };          // 正确, str是常量字符串数组
    char const str[][8] = { "Hello, ", "World!" };          // 正确, 同上
    static char str[][8] = { "Hello, ", "World!" };         // 正确
    static const char str[][8] = { "Hello, ", "World!" };   // 正确
    
    const char* str[] = { "Hello, ", "World!" };            // 错误,str非内部链接
    char* const str[] = { "Hello, ", "World!" };            // 正确,但不建议常量字符串到char*的转换
    const char* const str[] = { "Hello, ", "World!" };      // 正确, str是指向常量字符串的常量指针数组
    static char* str[] = { "Hello, ", "World!" };           // 正确,但不建议
    
    

    定义全局常量时经常将const和extern结合使用

    前面提到const修饰的变量具有内部链接属性,用extern修饰的变量具有外部链接属性,也就是说将两者结合就可以实现全局和只读变量的目的,但需要说明的是,变量必须在头文件中给出声明而不是定义,然后在与头文件对应的源文件中给出定义(也可以在任意引用该头文件的源文件中给出定义,但不推荐)。

    // global.h
    #ifndef GLOBAL_H_INCLUDED
    #define GLOBAL_H_INCLUDED
    
    #include <stdio.h>
    
    extern const int var;       // 声明var
    
    #endif // GLOBAL_H_INCLUDED
    
    // global.cpp
    #include "global.h"
    
    const int var = 10;     // 正确,定义var
    
    // test1.cpp
    #include "global.h"
    
    //const int var = 10;       // 正确,但不推荐,容易出现重定义
    
    void print1()
    {
        const int var = 0;             // 错误,var的作用域为print1()
        printf("%p = %d\n", &var, var);    // 局部变量var覆盖了全局变量
    }
    
    // test2.cpp
    #include "global.h"
    
    void print2()
    {
        printf("%p = %d\n", &var, var);
    }
    
    // main.cpp
    #include "global.h"
    
    extern void print1();
    extern void print2();
    
    int main()
    {
        print1();
    
        printf("%p = %d\n", &var, var);
    
        print2();
    
        return 0;
    }
    
    

    输出结果:

    0xbfcff14c = 0
    0x80485d0 = 10
    0x80485d0 = 10  # var地址相同
    Process returned 0 (0x0)   execution time : 0.014 s
    Press ENTER to continue.
    
    

    可以看到在global.cpp中定义的var具有全局唯一性,在每个模块中访问的var地址都相同,例子的var是常量,不能改变它的值,如果在头文件中声明extern int var并在源文件中定义int var = 10,然后在需要用到var的模块中引入该头文件,就可以实现C语言的全局变量,并且它的值可以被改变。

    补充

    原则:注意声明和定义的区别,避免在头文件中定义变量。

    编译单元:一个编译单元就是一个经过预处理的源文件(.c.cpp)。

    内部链接:如果一个名称对于它的编译单元来说是局部的,并且在链接的时候不会与其它编译单元中同样的名称相冲突,则这个名称具有内部链接。

    外部链接:如果一个名称在链接时可以和其他编译单元交互,那么这个名称就具有外部链接。

    分别编译:每个文件中所用到的名字及其类型,必须在这个文件中进行声明,使该文件的编译工作与整个程序的其他文件无关。

    C++规定,有const修饰的变量,不但不可修改,还都将具有内部链接属性,也就是只在本文件可见。这是原来C语言的static修饰字的功能,现在const也有这个功能了。

    C++又补充规定,extern const联合修饰时,extern将压制const的内部链接属性。

    C++定义全局变量的方法:在.h文件中声明extern int var; 在.cpp文件中定义int var = 10;

    分割线

    最近遇到问题:头文件中定义函数时,函数如果声明不是inline就会出现multiple definition错误,总结原因是因为inline字段没有理解清楚

    1、引入 inline 关键字的原因
    在 c/c++ 中,为了解决一些频繁调用的小函数大量消耗栈空间(栈内存)的问题,特别的引入了 inline 修饰符,表示为内联函数。

    栈空间就是指放置程序的局部数据(也就是函数内数据)的内存空间。

    在系统下,栈空间是有限的,假如频繁大量的使用就会造成因栈空间不足而导致程序出错的问题,如,函数的死循环递归调用的最终结果就是导致栈内存空间枯竭。

    下面我们来看一个例子:

    实例

    include <stdio.h>

    //函数定义为inline即:内联函数
    inline char* dbtest(int a) {
    return (i % 2 > 0) ? "奇" : "偶";
    }

    int main()
    {
    int i = 0;
    for (i=1; i < 100; i++) {
    printf("i:%d 奇偶性:%s /n", i, dbtest(i));
    }
    }
    上面的例子就是标准的内联函数的用法,使用 inline 修饰带来的好处我们表面看不出来,其实,在内部的工作就是在每个 for 循环的内部任何调用 dbtest(i) 的地方都换成了 (i%2>0)?"奇":"偶",这样就避免了频繁调用函数对栈内存重复开辟所带来的消耗。

    2、inline使用限制
    inline 的使用是有所限制的,inline 只适合涵数体内代码简单的涵数使用,不能包含复杂的结构控制语句例如 while、switch,并且不能内联函数本身不能是直接递归函数(即,自己内部还调用自己的函数)。

    3、inline仅是一个对编译器的建议
    inline 函数仅仅是一个对编译器的建议,所以最后能否真正内联,看编译器的意思,它如果认为函数不复杂,能在调用点展开,就会真正内联,并不是说声明了内联就会内联,声明内联只是一个建议而已。

    4、建议 inline 函数的定义放在头文件中
    其次,因为内联函数要在调用点展开,所以编译器必须随处可见内联函数的定义,要不然就成了非内联函数的调用了。所以,这要求每个调用了内联函数的文件都出现了该内联函数的定义。

    因此,将内联函数的定义放在头文件里实现是合适的,省却你为每个文件实现一次的麻烦。

    声明跟定义要一致:如果在每个文件里都实现一次该内联函数的话,那么,最好保证每个定义都是一样的,否则,将会引起未定义的行为。如果不是每个文件里的定义都一样,那么,编译器展开的是哪一个,那要看具体的编译器而定。所以,最好将内联函数定义放在头文件中。

    5、类中的成员函数与inline
    定义在类中的成员函数默认都是内联的,如果在类定义时就在类内给出函数定义,那当然最好。如果在类中未给出成员函数定义,而又想内联该函数的话,那在类外要加上 inline,否则就认为不是内联的。

    class A
    {
    public:void Foo(int x, int y) { } // 自动地成为内联函数
    }
    将成员函数的定义体放在类声明之中虽然能带来书写上的方便,但不是一种良好的编程风格,上例应该改成:

    // 头文件
    class A
    {
    public:
    void Foo(int x, int y);
    }

    // 定义文件
    inline void A::Foo(int x, int y){}
    6、inline 是一种"用于实现的关键字"
    关键字 inline 必须与函数定义体放在一起才能使函数成为内联,仅将 inline 放在函数声明前面不起任何作用。

    如下风格的函数 Foo 不能成为内联函数:

    inline void Foo(int x, int y); // inline 仅与函数声明放在一起
    void Foo(int x, int y){}
    而如下风格的函数 Foo 则成为内联函数:

    void Foo(int x, int y);
    inline void Foo(int x, int y) {} // inline 与函数定义体放在一起
    所以说,inline 是一种"用于实现的关键字",而不是一种"用于声明的关键字"。一般地,用户可以阅读函数的声明,但是看不到函数的定义。尽管在大多数教科书中内联函数的声明、定义体前面都加了inline 关键字,但我认为inline不应该出现在函数的声明中。这个细节虽然不会影响函数的功能,但是体现了高质量C++/C 程序设计风格的一个基本原则:声明与定义不可混为一谈,用户没有必要、也不应该知道函数是否需要内联。

    7、慎用 inline
    内联能提高函数的执行效率,为什么不把所有的函数都定义成内联函数?如果所有的函数都是内联函数,还用得着"内联"这个关键字吗?
    内联是以代码膨胀(复制)为代价,仅仅省去了函数调用的开销,从而提高函数的执行效率。
    如果执行函数体内代码的时间,相比于函数调用的开销较大,那么效率的收获会很少。另一方面,每一处内联函数的调用都要复制代码,将使程序的总代码量增大,消耗更多的内存空间。

    以下情况不宜使用内联:
    (1)如果函数体内的代码比较长,使用内联将导致内存消耗代价较高。
    (2)如果函数体内出现循环,那么执行函数体内代码的时间要比函数调用的开销大。类的构造函数和析构函数容易让人误解成使用内联更有效。要当心构造函数和析构函数可能会隐藏一些行为,如"偷偷地"执行了基类或成员对象的构造函数和析构函数。所以不要随便地将构造函数和析构函数的定义体放在类声明中。一个好的编译器将会根据函数的定义体,自动地取消不值得的内联(这进一步说明了 inline 不应该出现在函数的声明中)。

    8、总结
    内联函数并不是一个增强性能的灵丹妙药。只有当函数非常短小的时候它才能得到我们想要的效果;但是,如果函数并不是很短而且在很多地方都被调用的话,那么将会使得可执行体的体积增大。
    最令人烦恼的还是当编译器拒绝内联的时候。在老的实现中,结果很不尽人意,虽然在新的实现中有很大的改善,但是仍然还是不那么完善的。一些编译器能够足够的聪明来指出哪些函数可以内联哪些不能,但是大多数编译器就不那么聪明了,因此这就需要我们的经验来判断。如果内联函数不能增强性能,就避免使用它!

    感谢原文:
    https://stephan14.github.io/2018/09/13/multiple-definition/
    https://www.runoob.com/w3cnote/cpp-inline-usage.html

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