分割コンパイルとmake

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2009-06-18　分割コンパイルとmake　～　例題ベースで †

ここでは、Ｃ言語のプログラムを複数のファイルに分割したときに、何が起こるかを理解してください。

次のようなプログラムを、２つのファイルに分割してください。１つ目のファイル　main.c　には関数mainが、２つ目のファイル　util.c　には関数initializeと関数fが、入るようにしてください。

このプログラム自身はたいした意味はありません。数値積分（区分求積）の台形法で、 f(x) = sqrt ( 1 - x*x )　（つまり x*x + y*y = 1 ）　のうちx, yとも区間[0,1]の部分について積分したものです。

分割がややこしくなるように、わざと(1)構造体init_struct init_dataを用意しました。こんなことはしなくて済むのですが、敢えて構造体を使っています。また(2)初期化の関数initializeを設けました。これも必要ないのですが、ファイル分割をおもしろくするために設けました。

# Program Sample 1
#include <stdio.h>
#include <math.h>    /* 関数sqrtを使うために必要 */

struct init_struct {
  int n;          /* 積分区間の分割数、initializeで適当な値にセット */
  double start;   /* 積分範囲の開始点、initializeで0.0にセット */
  double end;     /* 積分範囲の終了点、initializeで1.0にセット */
  double h;       /* 台形の高さ、initializeで1/nにセット */
};

struct init_struct init_data;    /* 敢えて構造体宣言と構造体変数宣言を分けた */

double f(double x) {     /* 円の関数 */
  return( sqrt( 1.0 - (x*x) ) );
}

void initialize() {   /* init_dataのn, start, end, hを設定 */
  init_data.n = 10000000;
  init_data.start = 0.0;
  init_data.end = 1.0;
  init_data.h = (init_data.end - init_data.start ) / (double) init_data.n;
}

int main() {
  int i;
  double sum = 0.0;

  initialize();

  for (i=1; i<=init_data.n-2; i++) {   /* 区間の両端を除いた点のf(x)を累積 */
    sum = sum + f( (double)i * init_data.h ) ;
  }
 
  sum = sum + 0.5 * ( f(init_data.start) + f(init_data.end) ); /* 区間両端は1/2分ずつ累積 */
  printf("%20.17f\n", ( 4.0 * sum * init_data.h ) );  /* 高さhを掛け、4倍して半径1の円の面積 */
}

まず、これ全体をex1.cというファイルにして、コンパイルし　（gcc -o ex1 -lm ex1.c)　、実行できるか確認してください。

さて、分割してみてください。１つ目のファイル　main.c　には関数mainが、２つ目のファイル　util.c　には関数initializeと関数fが、入るようにしてください。

それぞれのファイルをコンパイルしてみましょう。複数のファイルに分割されたプログラムをコンパイルするとき（分割コンパイルと呼ばれる）は、図のように、それぞれのファイルを別々にコンパイルしておいて、最後に一緒にします。

１つ１つのファイルをコンパイルするステップでは、Ｃ言語のソースを機械語に翻訳すると同時に、ソースに含まれるグローバル変数をメモリ上に配置しようとします。（関数の中のローカル変数は、実行中に確保されるので、メモリ上に静的に配置されるのはグローバル変数とstatic宣言される静的変数です。）
このとき、他のファイルの中身は見えません。だから、他のファイルで宣言されている関数やグローバル変数は、『無いよ』と言われます。
思い出してください。こういうエラーを回避するために、関数は『プロトタイプ』宣言をするのでした。プロトタイプは、関数記述の第１行目、つまり関数の名前、その関数の型、引数の個数と型、を書いています。もしこのファイルの中で関数を呼び出していれば、（関数の本体は別のファイルに書いてあっても）呼び出しの設定に必要な関数名、引数の数と型、戻り値の型（＝関数の型）が分かって、呼び出す手続きが作れるわけです。
では変数の場合はどうするんでしたっけ？　　（⇒extern宣言を思い出してください。）
これで、一件落着はしません。他のファイルで定義されている関数やグローバル変数は、最終的には（機械語のレベルでは）アドレスになっていなければならないのですが、こちら側からではアドレスは分かりません。更には、全体の配置が決まらないと、それぞれの関数の開始アドレスが決まらないし、グローバル変数も全体を並べてみないと位置が決まりません。というわけで、これらのアドレスは『未解決』のまま、取って置きます。『未解決』というのは『まだ決まっていないのでいずれ決めようね』という意味です。
さて、それぞれのファイルのコンパイルが出来たとしましょう。一部の名前（関数名やグローバル変数名）はアドレスが決まらない『未解決』のままです。それらを集めて、全体を作るのがリンクエディター（もしくはリンカー、リンクプログラム）です。リンクエディターは、xxx.oの形のファイルの中に書かれている関数をメモリ上に配置し、またグローバル変数を集めてメモリ上に配置します。メモリ上のアドレスが決まったら、先ほど『未解決』としておいた参照（関数の呼び出しとかグローバル変数の参照）を『解決』します。つまりアドレスが決まったので、そのアドレスを参照している命令のオペランドに書き戻してやります。
（注）このようにリンクエディタで『解決』をするのをスタティックリンクと呼びますが、最近は別のやり方であるダイナミックリンクも広く使われています。これは未解決の参照はそのままにしておき、実行時に未解決の参照に遭遇したらＯＳが参照すべきアドレスを教えてやる、といったやりかたです。

さて、うまくコンパイルが出来たでしょうか？

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