Liên kết và biên dịch (Linking & Compilation)

Undefined Reference
- Lỗi xảy ra khi một hàm, biến hoặc đối tượng được sử dụng trong mã nguồn nhưng không có định nghĩa (definition) tương ứng trong bất kỳ file đối tượng hoặc thư viện nào được liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Hàm hoặc biến được khai báo nhưng không được định nghĩa.
  - Thiếu file nguồn (source file) trong quá trình liên kết.
  - Thiếu thư viện cần thiết trong lệnh liên kết.
- Ví dụ:
```
// File A.h
void myFunction(); // Khai báo nhưng không định nghĩa

// File main.cpp
#include "A.h"
int main() {
    myFunction(); // Gây lỗi Undefined Reference
    return 0;
}
```
- Khắc phục:
  - Đảm bảo mọi hàm/biến được khai báo đều có định nghĩa.
  - Liên kết đúng tất cả các tệp đối tượng và thư viện cần thiết.
Multiple Definition
- Lỗi xảy ra khi một hàm hoặc biến toàn cục được định nghĩa nhiều lần trong các file nguồn hoặc thư viện khác nhau.
- Nguyên nhân:
  - Định nghĩa biến hoặc hàm toàn cục trong nhiều file mà không sử dụng từ khóa extern.
  - Định nghĩa trực tiếp trong file header mà không sử dụng inline hoặc bảo vệ bằng guard (#ifndef / #define).
- Ví dụ:
```
// File A.cpp
int x = 5;

// File B.cpp
int x = 10; // Gây lỗi Multiple Definition khi liên kết
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng extern để khai báo biến toàn cục trong header và định nghĩa trong một tệp nguồn duy nhất.
  - Sử dụng guard trong header files.
Unresolved External Symbol
- Biểu tượng (symbol) được tham chiếu trong mã nguồn không thể được trình liên kết tìm thấy trong bất kỳ file đối tượng hoặc thư viện nào.
- Nguyên nhân:
  - Hàm hoặc biến chưa được định nghĩa hoặc thiếu file nguồn.
  - Không liên kết đúng thư viện trong lệnh biên dịch.
- Ví dụ:
```
extern int externalVar; // Khai báo
int main() {
    return externalVar; // Gây lỗi nếu externalVar không được định nghĩa
}
```
- Khắc phục:
  - Đảm bảo rằng tất cả các biểu tượng được khai báo đều có định nghĩa.
  - Liên kết đúng thư viện chứa biểu tượng.
Symbol Redefinition
- Xảy ra khi một biểu tượng (hàm hoặc biến) được định nghĩa lại sau khi đã được định nghĩa trước đó trong cùng một file đối tượng hoặc thư viện.
- Nguyên nhân:
  - File header chứa định nghĩa thay vì chỉ khai báo và bị include nhiều lần.
  - Khắc phục: Sử dụng include guard (#ifndef / #define / #endif) hoặc #pragma once.
- Ví dụ:
```
// File A.h
int x = 5; // Nếu A.h được include nhiều lần sẽ gây lỗi Symbol Redefinition
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng guard (#ifndef / #define / #endif) hoặc #pragma once trong các file header.
  - Định nghĩa biến hoặc hàm trong tệp nguồn thay vì header.
Linker Error
- Lỗi chung xảy ra trong quá trình liên kết, không liên quan đến cú pháp hay cú pháp ngữ nghĩa (syntax/semantic) của mã nguồn.
- Nguyên nhân:
  - Thiếu file nguồn hoặc thư viện cần thiết.
  - Biểu tượng không được định nghĩa hoặc định nghĩa trùng lặp.
  - Sử dụng các tham số liên kết không chính xác.
- Khắc phục:
  - Kiểm tra thông báo lỗi để xác định nguyên nhân cụ thể.
  - Đảm bảo tất cả các tệp nguồn và thư viện cần thiết được liên kết đúng cách.
Duplicate Symbol
- Tương tự như Multiple Definition, xảy ra khi cùng một biểu tượng (hàm hoặc biến) được định nghĩa nhiều lần trong các file nguồn hoặc thư viện khác nhau, đặc biệt với các biến hoặc hàm có phạm vi toàn cục.
- Nguyên nhân:
  - Không sử dụng từ khóa static hoặc inline khi cần định nghĩa trong file header.
  - Định nghĩa lại biến toàn cục trong nhiều file.
  - Định nghĩa biểu tượng toàn cục trong nhiều tệp mà không sử dụng extern.
  - Không sử dụng guard trong header files.
- Ví dụ:
```
// File A.cpp
int x = 10;

// File B.cpp
int x = 20; // Gây lỗi Duplicate Symbol khi liên kết
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng từ khóa static hoặc extern nếu cần khai báo biến toàn cục.
  - Sử dụng guard trong các tệp header.
Undefined Behavior in Linking
- Các hành vi không xác định xảy ra trong quá trình liên kết do các lỗi như sử dụng biểu tượng chưa định nghĩa, trùng lặp biểu tượng,...
- Nguyên nhân:
  - Các file đối tượng được biên dịch bằng các tiêu chuẩn hoặc trình biên dịch khác nhau.
  - Sử dụng các thư viện không tương thích.
- Ví dụ:
  - Sử dụng một hàm chưa được định nghĩa, dẫn đến hành vi không xác định khi chạy chương trình.
- Khắc phục:
  - Kiểm tra và sửa các lỗi liên kết.
  - Đảm bảo rằng tất cả các biểu tượng được định nghĩa và liên kết đúng cách.
Missing Library
- Thư viện cần thiết cho quá trình liên kết không được tìm thấy hoặc không được cung cấp đúng cách trong lệnh biên dịch.
- Nguyên nhân:
  - Không thêm chỉ thị -l hoặc đường dẫn đúng vào lệnh liên kết.
  - Thiếu file thư viện .so (Linux) hoặc .dll/.lib (Windows).
  - Thư viện chưa được cài đặt. Đường dẫn đến thư viện không đúng.
- Ví dụ:
```
gcc main.cpp -o main -lmylib // Nếu libmylib không tồn tại sẽ gây lỗi Missing Library
```
- Khắc phục:
  - Cài đặt thư viện cần thiết.
  - Kiểm tra và cung cấp đúng đường dẫn tới thư viện.
Relocation Error
- Lỗi khi linker không thể xác định địa chỉ của một biểu tượng trong quá trình liên kết các file đối tượng hoặc thư viện.
- Nguyên nhân:
  - Biểu tượng không xác định địa chỉ do thiếu file hoặc thư viện.
  - Xung đột giữa các thư viện hoặc các file đối tượng.
  - Vùng nhớ không thể được chỉnh sửa hoặc không đủ quyền.
- Ví dụ:
  - Thử liên kết với một thư viện bị hỏng hoặc không tương thích.
- Khắc phục:
  - Đảm bảo rằng tất cả các biểu tượng cần thiết được định nghĩa.
  - Sử dụng các thư viện tương thích.
Mismatched Symbol
- Lỗi khi ký hiệu (symbol) được định nghĩa không khớp với cách nó được khai báo hoặc sử dụng.
- Nguyên nhân:
  - Sự không tương thích giữa các kiểu dữ liệu hoặc tham số của hàm.
  - Khai báo hàm hoặc biến với kiểu khác nhau trong các file khác nhau.
  - Sai lệch trong cách sử dụng name mangling giữa C và C++.
- Ví dụ:
```
// File A.h
extern "C" void func(int);

// File B.cpp
void func(double) { } // Gây lỗi Mismatched Symbol
```
- Khắc phục:
  - Đảm bảo rằng khai báo và định nghĩa của biểu tượng khớp hoàn toàn về kiểu dữ liệu và cấu trúc.
  - Sử dụng extern "C" khi cần thiết để tránh name mangling không mong muốn.
Missing Main
- Lỗi xảy ra khi không tìm thấy hàm main() trong chương trình, hàm này là điểm bắt đầu thực thi của mọi chương trình C/C++.
- Nguyên nhân:
  - Không định nghĩa hàm main() trong mã nguồn.
  - Đặt sai tên hàm main hoặc dùng tham số không hợp lệ.
- Ví dụ:
```
// Không có hàm main()
void myFunction() {}
```
- Khắc phục:
  - Định nghĩa hàm main() đúng cách trong một tệp nguồn.
  - Kiểm tra cú pháp và tên hàm main().
Circular Dependency
- Lỗi xảy ra khi các file header hoặc thư viện phụ thuộc lẫn nhau, gây ra một vòng lặp trong quá trình liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Các file .h include lẫn nhau mà không có chỉ thị include guard.
  - Các thư viện yêu cầu liên kết phụ thuộc ngược.
  - Sử dụng #include không cẩn thận, dẫn đến vòng lặp trong dependency graph.
- Ví dụ:
```
// File A.h
#include "B.h"

// File B.h
#include "A.h" // Vòng lặp Circular Dependency
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng forward declarations thay vì #include khi có thể.
  - Sắp xếp lại cấu trúc tệp để tránh phụ thuộc vòng.
Undefined Symbol
- Lỗi xảy ra khi một biểu tượng (hàm hoặc biến) không được định nghĩa trong bất kỳ file đối tượng hoặc thư viện nào.
- Nguyên nhân:
  - Sử dụng hàm/biến không khai báo hoặc không định nghĩa.
  - Sử dụng sai cú pháp hoặc nhầm tên.
- Ví dụ:
```
extern int y; // Khai báo
int main() {
    return y; // Gây lỗi Undefined Symbol nếu y không được định nghĩa
}
```
- Khắc phục:
  - Đảm bảo tất cả các biểu tượng được khai báo đều có định nghĩa.
  - Liên kết đúng tất cả các thư viện và tệp nguồn cần thiết.
Library Not Found
- Lỗi xảy ra khi trình liên kết không thể tìm thấy thư viện được chỉ định trong lệnh liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Thư viện không có trong LD_LIBRARY_PATH (Linux) hoặc không được cung cấp đường dẫn chính xác.
  - Thư viện không tồn tại (hoặc bị lỗi) trong đường dẫn tìm kiếm của trình liên kết (linker).
- Ví dụ:
```
gcc main.cpp -o main -lnonexistentlib // Gây lỗi Library Not Found
```
- Khắc phục:
  - Kiểm tra xem thư viện có tồn tại trong hệ thống không.
  - Cung cấp đường dẫn chính xác đến thư viện bằng cờ -L.
  - Đảm bảo rằng tên thư viện được viết đúng sau -l.
Invalid Mangled Name
- Tên được mã hóa (mangled) không hợp lệ hoặc không khớp với quy tắc name mangling của trình biên dịch, dẫn đến lỗi liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Khai báo hàm trong C nhưng không dùng extern "C" khi liên kết với mã C++.
  - Sử dụng name mangling không đúng cách, chẳng hạn như kết hợp giữa C và C++ mà không sử dụng extern "C".
  - Thay đổi cấu trúc hoặc kiểu dữ liệu của hàm sau khi name mangling.
- Ví dụ:
```
// File A.cpp
extern "C" void func(int);

// File B.cpp
void func(int) { } // Nếu không sử dụng extern "C" ở định nghĩa, gây Invalid Mangled Name
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng extern "C" một cách nhất quán cho khai báo và định nghĩa hàm khi cần thiết.
  - Đảm bảo rằng khai báo và định nghĩa hàm khớp hoàn toàn về kiểu dữ liệu và cấu trúc.
Compile-Time Error
- Lỗi phát sinh trong quá trình biên dịch mã nguồn trước khi quá trình liên kết xảy ra. Có thể bao gồm lỗi cú pháp, kiểu dữ liệu,...
- Nguyên nhân:
  - Sai cú pháp trong mã nguồn.
  - Sử dụng kiểu dữ liệu không hợp lệ.
  - Thiếu khai báo hoặc định nghĩa.
- Ví dụ:
```
int main() {
    int x = "Hello"; // Lỗi kiểu dữ liệu
    return 0;
}
```
- Khắc phục:
  - Sửa các lỗi cú pháp và kiểu dữ liệu.
  - Đảm bảo rằng tất cả các biến và hàm được khai báo đúng cách.
Weak Symbol Error
- Xảy ra khi có một biểu tượng yếu (weak symbol) nhưng không có biểu tượng mạnh (strong symbol) tương ứng để liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Sử dụng __attribute__((weak)) nhưng không cung cấp định nghĩa mạnh.
- Ví dụ:
```
// File A.cpp
void __attribute__((weak)) func();

// File B.cpp
// Không định nghĩa func()
```
- Khắc phục:
  - Cung cấp định nghĩa mạnh cho biểu tượng.
  - Đảm bảo rằng ít nhất có một định nghĩa mạnh cho mỗi biểu tượng yếu.
ABI Incompatibility (Application Binary Interface)
- Không tương thích giữa các file đối tượng hoặc thư viện do sự khác biệt trong cách trình biên dịch định nghĩa các kiểu dữ liệu, cách gọi hàm, name mangling,...
- Nguyên nhân:
  - Sử dụng các trình biên dịch hoặc cờ biên dịch hoặc phiên bản khác nhau.
  - Thay đổi cấu trúc dữ liệu hoặc giao diện giữa các phiên bản thư viện.
- Ví dụ:
  - Thư viện được build với g++-9 không tương thích với mã build bằng g++-11.
- Khắc phục:
  - Sử dụng cùng một trình biên dịch và phiên bản khi build tất cả các thành phần.
  - Tuân thủ các quy tắc ABI khi phát triển và cập nhật thư viện.
Missing Entry Point (Undefined Main)
- Tương tự như Missing Main, xảy ra khi trình liên kết không thể tìm thấy hàm main() trong chương trình.
- Nguyên nhân:
  - Hàm main() không được định nghĩa hoặc định nghĩa không đúng cách.
  - Sử dụng sai hệ thống build (ví dụ: build thư viện thay vì chương trình).
  - Định nghĩa main() bị sai cú pháp hoặc nằm trong thư viện không được liên kết đúng cách.
- Ví dụ:
```
// Không có hàm main()
void myFunction() {}
```
- Khắc phục:
  - Định nghĩa hàm main() đúng cách trong một tệp nguồn.
  - Kiểm tra cú pháp và tên hàm main().
Link-Time Optimization (LTO) Error
- Lỗi xảy ra khi quá trình tối ưu hóa tại thời điểm liên kết không thể thực hiện do không đủ thông tin hoặc không tương thích giữa các file nguồn.
- Nguyên nhân:
  - Biên dịch các file với cờ không nhất quán, ví dụ: một file có tối ưu hóa và một file thì không.
  - Biên dịch các file với cờ LTO nhưng có sự không nhất quán về cờ biên dịch giữa các file.
  - Sử dụng trình liên kết không hỗ trợ LTO.
- Ví dụ: Sử dụng -flto trong một số file nguồn nhưng không trong các file khác.
- Khắc phục:
  - Đảm bảo tất cả các file nguồn được biên dịch với cờ LTO khi sử dụng LTO.
  - Sử dụng trình liên kết hỗ trợ LTO.
Name Mangling
- Quá trình mà trình biên dịch C++ sử dụng để biến đổi tên hàm, biến, và các biểu tượng khác thành các tên duy nhất trong file đối tượng, hỗ trợ tính năng như overloading và namespaces.
- Nguyên nhân:
  - Cần hỗ trợ các tính năng nâng cao của C++ như hàm quá tải.
- Ví dụ:
```
// Hàm void func(int) có thể được mangled thành _Z4funci
```
- Khắc phục:
  - Khi kết hợp C và C++, sử dụng extern "C" để tránh name mangling cho các hàm cần giao tiếp C.
  - Hiểu cách name mangling hoạt động để giải quyết các vấn đề liên kết.
Static Linking
- Quá trình liên kết các thư viện vào file thực thi tại thời điểm biên dịch, tạo thành một file duy nhất chứa toàn bộ mã cần thiết.
- Ưu điểm:
  - File thực thi độc lập, không cần các thư viện bên ngoài khi chạy.
- Nhược điểm:
  - Tăng kích thước file thực thi.
  - Cần biên dịch lại khi cập nhật thư viện.
- Ví dụ:
```
gcc main.o -o main -static -lmylib
```
- Sử dụng:
  - Sử dụng cờ -static trong lệnh liên kết.
Dynamic Linking
- Quá trình liên kết các thư viện bên ngoài (shared libraries) vào file thực thi tại thời điểm chạy, không tại thời điểm biên dịch.
- Ưu điểm:
  - Giảm kích thước file thực thi.
  - Cho phép cập nhật thư viện mà không cần biên dịch lại file thực thi.
- Nhược điểm:
  - Phụ thuộc vào các thư viện bên ngoài khi chạy.
  - Có thể gặp vấn đề với phiên bản thư viện.
- Ví dụ:
  - Sử dụng thư viện shared (.so trên Linux, .dll trên Windows).
- Sử dụng:
  - Không sử dụng cờ -static, liên kết với thư viện shared mặc định.
Link Order
- Thứ tự mà các file đối tượng và thư viện được liệt kê trong lệnh liên kết. Thứ tự này quan trọng vì linker xử lý từ trái sang phải và chỉ liên kết các biểu tượng khi chúng được yêu cầu.
- Nguyên nhân:
  - Thứ tự không đúng có thể dẫn đến lỗi Undefined Reference.
- Ví dụ:
```
gcc main.o -o main -lmylib
```
  Nếu -lmylib được đặt trước main.o, linker có thể không nhận diện được các biểu tượng cần thiết.
- Khắc phục:
  - Đặt các thư viện sau các file đối tượng hoặc thư viện mà chúng phụ thuộc vào.
  - Thử thay đổi thứ tự các thư viện trong lệnh liên kết.
Symbol Visibility
- Quy định về việc biểu tượng (hàm, biến) có được xuất ra bên ngoài thư viện hay không, kiểm soát khả năng truy cập từ các file đối tượng khác.
- Nguyên nhân:
  - Cần kiểm soát các biểu tượng được xuất để tránh trùng lặp và bảo mật.
- Ví dụ:
```
// Sử dụng __attribute__((visibility("hidden"))) để ẩn biểu tượng
void __attribute__((visibility("hidden"))) hiddenFunc() {}
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng các chỉ thị về visibility khi cần thiết.
  - Sử dụng static hoặc inline cho các hàm/biến chỉ sử dụng trong file nguồn.
Object File
- File chứa mã máy đã được biên dịch từ mã nguồn nhưng chưa được liên kết. Thường có đuôi .o trên Unix/Linux hoặc .obj trên Windows.
- Nguyên nhân:
  - Mỗi file nguồn được biên dịch thành một file đối tượng riêng biệt trước khi liên kết.
- Ví dụ:
```
gcc -c main.cpp -o main.o
gcc -c utils.cpp -o utils.o
gcc main.o utils.o -o main
```
- Sử dụng:
  - Sử dụng cờ -c để biên dịch mã nguồn thành file đối tượng mà không liên kết.
Static Library vs Shared Library
- Static Library:
  - Thư viện được liên kết tĩnh vào file thực thi tại thời điểm biên dịch. Thường có đuôi .a trên Unix/Linux hoặc .lib trên Windows.
  - Ưu điểm: File thực thi độc lập, không phụ thuộc vào thư viện bên ngoài khi chạy.
  - Nhược điểm: Tăng kích thước file thực thi, khó cập nhật thư viện mà không biên dịch lại.
- Shared Library:
  - Thư viện được liên kết động vào file thực thi tại thời điểm chạy. Thường có đuôi .so trên Unix/Linux hoặc .dll trên Windows.
  - Ưu điểm: Giảm kích thước file thực thi, dễ dàng cập nhật thư viện.
  - Nhược điểm: Phụ thuộc vào thư viện bên ngoài khi chạy, có thể gặp vấn đề với phiên bản thư viện.
- Ví dụ:
```
// Tạo static library
ar rcs libmylib.a mylib.o

// Tạo shared library
gcc -shared -fPIC -o libmylib.so mylib.o
```
Position-Independent Code (PIC)
- Mã máy được biên dịch để có thể được tải ở bất kỳ địa chỉ bộ nhớ nào mà không cần sửa đổi. Thường được sử dụng cho shared libraries.
- Nguyên nhân:
  - Cần tái sử dụng mã trong các thư viện shared tại các địa chỉ khác nhau trong bộ nhớ.
- Ví dụ:
```
gcc -fPIC -c mylib.cpp -o mylib.o
gcc -shared -o libmylib.so mylib.o
```
- Khắc phục:
  - Sử dụng cờ -fPIC khi biên dịch file nguồn cho shared libraries.
Linker Scripts
- File cấu hình cho linker, cho phép tùy chỉnh quá trình liên kết, như xác định vị trí bộ nhớ, sắp xếp các file đối tượng, và kiểm soát cách các biểu tượng được liên kết.
- Nguyên nhân:
  - Cần kiểm soát chi tiết hơn về cách linker xử lý các file đối tượng và thư viện.
- Ví dụ:
```
/* example.ld */
SECTIONS {
    .text : { *(.text) }
    .data : { *(.data) }
    .bss : { *(.bss) }
}
```
```
gcc main.o -o main -T example.ld
```
- Khắc phục:
  - Tạo và sử dụng các linker scripts khi cần tùy chỉnh quá trình liên kết.
Symbol Table
- Cấu trúc dữ liệu mà linker sử dụng để lưu trữ và quản lý các biểu tượng (hàm, biến) từ các file đối tượng và thư viện. Chứa thông tin về tên biểu tượng, địa chỉ, kiểu dữ liệu,...
- Nguyên nhân:
  - Cho phép linker tìm kiếm và liên kết các biểu tượng khi cần thiết.
- Ví dụ:
  - Sử dụng lệnh nm để xem bảng biểu tượng trong file đối tượng:
    nm main.o
- Khắc phục:
  - Hiểu và kiểm tra bảng biểu tượng để giải quyết các vấn đề liên kết.
Linker Flags
- Các tùy chọn hoặc tham số được truyền cho trình linker để kiểm soát quá trình liên kết, như liên kết với thư viện, định nghĩa các biểu tượng, tối ưu hóa,...
- Nguyên nhân:
  - Cần tùy chỉnh quá trình liên kết theo yêu cầu cụ thể của dự án.
- Ví dụ:
  - Liên kết với thư viện math:
    gcc main.o -o main -lm
  - Sử dụng cờ LTO:
    gcc -flto main.o utils.o -o main
- Khắc phục:
  - Sử dụng các cờ linker phù hợp trong lệnh biên dịch để đạt được mục tiêu liên kết mong muốn.
Object Code
- Mã máy được tạo ra từ quá trình biên dịch mã nguồn, nhưng chưa được liên kết thành một file thực thi hoàn chỉnh. File đối tượng chứa mã máy và thông tin về các biểu tượng.
- Nguyên nhân:
  - Mỗi file nguồn được biên dịch thành một file đối tượng trước khi liên kết.
- Ví dụ:
```
gcc -c main.cpp -o main.o
```
- Sử dụng:
  - File đối tượng sau đó được liên kết với các file đối tượng khác hoặc thư viện để tạo thành file thực thi.