C言語 リンカの役割【リンクエラーが起きた時の対処方法解説】

こんにちは、ナナです。

本記事では、皆さんが作成したソースコードから「実行ファイル」を製作するための、第３ステップである「リンカ」に焦点を当てます。

第１ステップのプリプロセッサ、第２ステップのコンパイラについて知りたい方は次の記事を見てください。

本記事では次の疑問点を解消する内容となっています。

では、リンカの役割を学んでいきましょう。

リンカ 役割と機能

何かと何かを結びつけることを「リンクする」と表現します。Webのページもリンクで繋がっていますね。

「リンカ」とは「２つのものを結びつける者」という意味です。

リンカの主な役割は、グローバル変数や関数呼び出しの参照を結合する作業です。リンカが結合する作業のことを「リンク」と呼びます。

製造工程におけるリンカの位置づけ

作家が執筆する「原稿」はもちろん１枚ということはなくて、何枚も執筆しますよね。編集担当や校正・翻訳担当はこれら１枚１枚に対して修正やチェックを行い、次の製本作業に移ります。

書籍出版の製作工程

最後の製本の段階では、ページの順番を調整し、目次などを含めて完成した１冊の本として出版されます。

この「製本」の作業を、プログラムの製作工程で行うのが「リンカ」の仕事です。

プログラムの製作工程

皆さんもこれからC言語のソースファイルを、いくつも作ることになります。

各ソースファイルはコンパイラによってオブジェクトファイルに変換されます。リンカではそれらを結合し１つの「実行ファイル」を作り出します。

リンクの仕事内容

リンカが担う大きな仕事は次の２つです。

リンカは関数の呼び出しを実現する非常に大切な機能です。

リンカ 関数と関数を繋ぐもの

リンカは関数同士を繋いでくれます。関数を繋ぐとはどのようなことなのかを学びましょう。

リンカによる関数のリンク作業

次のプログラムは三角形の面積を取得し、画面に面積を出力するプログラムです。

このようにC言語のソースファイルは、システムの中で複数作られることはよくあることです。また、第３者が作成した関数がライブラリファイルとして提供されることもあるでしょう。

このようにバラバラに定義されている関数を接続し、１つの実行ファイルにまとめるリンカの作業を「リンク」と呼びます。

プログラムを動かしていると当たり前のように思いますが、関数を呼ぶことができるということは関数の呼び出し元と呼び出し先が繋がっているということです。

リンクエラー

コンパイラによるコンパイルエラーと同様に、リンカもエラーを出力することがあります。

これを「リンクエラー」と呼びます。

リンクエラーでよくあるパターンは「未解決の外部シンボルがあります」というエラーです。

「シンボル」というのは関数やグローバル変数の名前のことです。

このエラーメッセージは「main関数から呼ばれているtriangre関数が見つからないため、関数呼び出し元と呼び出し先をリンクできませんでした」と指摘しているわけです。

このエラーは多くの場合、関数名の綴りを間違えた時に発生します。

皆さんは、このエラーに遭遇した時は次の２つをチェックしましょう。

リンカ シンボルをメモリに配置するもの

リンカにはメモリと密接に関連しており、関数や変数をどこのメモリに配置するかを決定する仕事があります。

皆さんはプログラムをするうえで、関数や変数が最終的にどこのメモリに配置されるのかを意識することはあまりありません。

しかし、プログラムがうまく動かないといった状況で「このメモリ番地で問題が起きているんだが、どこのどいつが使っているメモリなんだ？」みたいなシーンがたまに訪れます。

そんな時に「このメモリはこの関数に使わせてます」ということを決定しているのが「リンカ」なのです。

リンカオプション mapファイルの出力

mapマップファイルとは、関数やグローバル変数のシンボル情報を一覧表示したファイルのことです。

リンカというツールには、このmapファイルを出力する機能が備わっています。私の知る限りこの出力機能は、自分で有効にしない限り出力しません。

VisualStudioではメニューの［プロジェクト］－［プロパティ…］から設定することができます。

mapファイルの設定を有効にして再度「ビルド」を実行すると、プロジェクトフォルダの中に「（プロジェクト名）.map」という拡張子のファイルが生成されます。

mapファイルの出力例

では、具体的にmapファイルがどのような形式で出力されるのかをお見せします。

main.cに次のようにmain関数、sub関数、numグローバル変数の３つを定義しました。

// グローバル変数
long num = 100;

// sub関数
void sub(void)
{
    num = 5000;
}

// main関数
int main(void)
{
    sub();

    return 0;
}

出力されたmapファイルに、どのようなシンボル情報が出力されたかを見てみましょう。量が多いため一部抜粋しています。

  Address         Publics by Value              Rva+Base       Lib:Object

 ・・・

 0002:00000760       __JustMyCode_Default       00411760 f i main.obj
 0002:00000770       _main                      00411770 f   main.obj
 0002:000007d0       _sub                       004117d0 f   main.obj
 0002:00000830       ___local_stdio_printf_options 00411830 f i bank.obj

 ・・・

 0003:00001dec       ___rtc_tzz                 00418dec     MSVCRTD:initsect.obj
 0004:00000000       _num                       0041a000     main.obj
 0004:00000004       ?_RTC_ErrorLevels@@3PAHA   0041a004     MSVCRTD:error.obj

 ・・・

「Address」は配置される番地、「Publics by Value」はシンボル名、「Lib:Object」には定義が存在するオブジェクトファイル名が出力されています。

このような情報を解析することで、発生した問題を解くヒントになることがあるのです。

Q&A：リンカに関するよくある質問

Q：未解決の外部シンボルのメッセージが出力された際に_mainとか_triangreなど関数名の前にアンダーバーが付いてるけどどうして？

これに気が付いた方は、非常によくエラーメッセージを解析している人です。

皆さんの作った関数をコンパイラが翻訳すると、アンダーバーを先頭に付けた名前として翻訳を行います。リンカはその名前を使って関数のリンクを行うため、リンクエラー時にアンダーバー付きの名前で指摘を行うのです。

このようなシンボルを見つけたらアンダーバーを除いた名前で皆さんは問題を解決するとよいでしょう。

課題：リンカが学べたかを確認しよう

課題１

#include <stdio.h>

#define  D_FRUIT_NAMESIZE  (32);

typedef struct
{
    char name[D_FRUIT_NAMESIZE];
    long price,
} S_FRUIT

void fruitOutput(S_FRUIT fruit)
{
    if (fruit.price > 0)
        printf("名前：%s\n", fruit.name);
        printf("価格：%d\n", fruit.price)
    }

    return 0;
}

int main(void)
{
    S_FRUIT fruit = { "桃" , 400 };

    fruit0utput(fruit);

    return 0;
}

名前：桃
価格：400

#include <stdio.h>

//  セミコロンは不要
#define  D_FRUIT_NAMESIZE  (32)

//  priceはカンマではなくセミコロン
//  S_FRUITの後ろにセミコロンが必要
typedef struct
{
    char name[D_FRUIT_NAMESIZE];
    long price;
} S_FRUIT;

void fruitOutput(S_FRUIT fruit)
{
    //  {が不足している
    //  セミコロンが必要
    if (fruit.price > 0)
    {
        printf("名前：%s\n", fruit.name);
        printf("価格：%d\n", fruit.price);
    }

    //  戻り値は不要
    return;
}

int main(void)
{
    S_FRUIT fruit = { "桃" , 400 };

    // 0(ゼロ)ではなくO(オー)
    fruitOutput(fruit);

    return 0;
}