c和fortran混编（基于GNU/Linux,转自 linzch）

转载自 xuyungui

最终编辑 aliouying

网 上说要分c为主程序和fortran为主程序两种情况讨论，其实我觉得不用，只要你了解生成可执行文件的机制。这个机制就是：不论是单一语言模块之间的 链接还是不同语言之间的混合链接，本质目的都是要链接器能找到定义于其他模块中的符号，如果全部找到，则链接成功，生成可执行的二进制文件。 

下面的内容比较基础，看烦了就跳过。 
比如简单的一个c程序： 
/* main.c */ 
void FOO (); /* 其实按c语言的规定，调用程序之前不需声明， 
* c编译器会猜测函数的原型。需要在调用之前 
* 定义或者声明那是c++的风格 
*/ 
int main () 
{ 
FOO (); 
return 0; 
} 

/* foo.c */ 
#include <stdio.h> 
void FOO () 
{ 
printf (“hello world\n”); 
} 

这两个文件都可以编译通过 
gcc -c main.c 
gcc -c foo.c 
这里gcc只用来编译并不链接，因为单独链接其中一个文件都是不完整的。必须将两个目标文件（上面会生成main.o和foo.o）链接在一起。 
gcc -osample main.o foo.o 
这里gcc 因为看到文件后缀名为.o所以直接进行链接而不再进行编译。（gcc在编译时对文件的识别主要靠起后缀名。如果是gcc -osample main.c foo.c那么因为后缀名为.c所以会先编译，又因为没有-c选项所以会再链接。多说一点如果是gcc -osample main.c foo.o那么只编译main.c文件，再将编译后的临时目标文件与foo.o链接。gcc还会因为不同的后缀名采用不同的编译器进行编译具体参见man 或者info，因为他是compiler collection嘛:） 

不好意思，绕了一大圈。上面说到这两个文件都能独立编译（因为语法没错嘛），并且将编译出的目标文件放在一起链接就可以了。这正是因为链接器（链接器其实 是ld,gcc调用了它）在foo.o中找到了main.o中需要的foo的定义，并且在main.o中找到了main的定义。 
这里还牵扯到一个问题，那就是c是很纯朴的语言，c的函数在文本文件中是什么名字，那么编译出来在目标文件（一般是.o文件）中相应的那个函数还是那个名字（不会像c++一样为了重载在函数名前后加一大堆区分符）。 
比如用nm查看main.o和foo.o 
nm main.o 
U FOO 
00000000 T main 
U表示在main.o中符号foo是未定义的，需要从外部链接进来。T表示该符号存在于这个目标文件对应的文本文件中，说白了就是有定义的符号。 
nm foo.o 
00000000 T FOO 
U printf 
这样就可以看出，编译出的foo.o与原foo.c中的函数名都是FOO。main.c中调用了函数FOO，那么他编译出的这个函数的符号也还是FOO， 这样对函数FOO的供与求才能对的上，链接器能找到对得上的符号才能链接成功。有人说foo.o里还有一个未定义符号printf，这个到哪里去 找？gcc总是会有很多默认链接的库和链接选项，这其中包括c的标准库，而printf就在c标准库中。加上-v选项就可以看出来，gcc在编译和链接时 到底做了哪些事。 

又多说一点，如果一个函数有定义或者被调用，那么编译后在目标文件中就会有其相应的符号，因为要告诉链接器有这个供给，或者有这个需求嘛。如果一个函数仅仅有什么声明，那么是不会编译出它的符号的，因为它既不会给别人用，也不会用别人。 

那么，说了这么多其实还是为了明确一点：要让链接器找到在一个文件中需要的符号定义，那么链接就能成功，就能生成可执行文件了。这也是混编的关键！ 



现在开始真真儿的了。 
将主程序main.c换成fortran的 
c main.f 
program test 
external FOO 
call FOO () 
end 

还是原来的foo.c，也就是说由fortran调用c，仍旧是： 
gcc -c foo.c 
gcc -c main.f 
注意这里用的是gcc编译main.f（fortran程序），这是完全可以的。前面说了gcc是compiler collection，它会根据文件后缀来判断是什么语言写成的，从而调用相应的编译器来编译。.f的文件它自然会用g77或者f77之类的来编译。与 g77 -c main.f完全一样。为了链接成功，先来看看foo.o和main.o中都有什么符号 
nm main.o 
U foo_ 
00000000 T MAIN__ 
U s_stop 

nm foo.o 
00000000 T FOO 
U printf 
可以看出，main.o里需要用到符号名为foo_但foo.o里提供的是FOO——不匹配。一个办法就是依据上面说的c的纯朴性——写的什么名儿，编译 出就是什么名儿，从而直接改变foo.c中的函数名，改为void foo_ ()即可。这样链接时，main.o需要的foo_符号就能在foo.o中找到。 
但是把c的函数名改成这个样子，感觉总是别扭。应该看到是什么（.c中看到foo_）就用什么（而.f中用的是FOO）这样才人性化。再说如果 fortran需要用到一个c库，这个库里的函数不一定都是小写并且最后还带下划线。就像c++要用c库，也需要在声明这个库中的函数时使用extern “C”，使c++编译器在编译这个函数时生成的符号名是C风格而不是C++风格。所以我们也需要类似c++的做法改变fortran程序编译出来的符号 名。 
我不知道fortran是否有extern “C”之类的东东。但是编译fortran程序是有选项可选的。比如： 
gcc -fno-underscoring -fcase-preserve -c main.f 

这里加了两个选项，顾名思义前者用来去掉下划线，后者用来保持大小写。这下再 
nm main.o 
U FOO 
00000000 T MAIN__ 
U s_stop 

这样就解决了c函数被fortran调用的问题了。 

但是因为main.o中还有一个未定义符号s_stop，而gcc默认只链接和c相关的库，所以这时使用gcc -osample main.o foo.o会报错，大概就是说s_stop未定义(unreferenced 或者 undefined)。一个简单的解决办法——使用g77链接main.o和foo.o。就好像gcc默认会链接c库一样，g77默认会链接 fortran的一些基本的，标准的库；另一个办法就是查明g77会链接哪些基本的，标准的fortran库，这也很简单在编译链接fortran程序时 加上-v选项。我看到的g77的比gcc多了这几个选项 -lfrtbegin -lg2c -lm，那么就是说g77链接了libfrtbegin,libg2c,libm，最后一个是数学库，前两个应该就是g77专用的了。所以 
gcc -lfrtbegin -lg2c -osample main.o foo.o 
（同样g++使用了-lstdc++，也就是libstdc++。这也就是为什么时常有人问gcc main.cc会出错的问题了，如果main.cc用到了c++库中的函数，那么当然要使用gcc -lstdc++ main.cc才行了） 



如果我们保持main.c不变，而将foo.c变为foo.f。也就是c调用fortran 
c foo.f 
SUBROUTINE FOO() 
print *,"hello world" 
END 

编译foo.f和main.c 
gcc -fno-underscoring -fcase-preserve -c foo.f 
gcc -c main.c 
链接 
gcc -lfrtbegin -lg2c main.o foo.o -osample 
成了。（其实，当fortran不为主程序时，可以不用链接libfrtbegin，起码这个小程序不用） 

这里讨论了混编的基本原理，就是让链接器找到符号所在。从这点出发，一些混编问题都应该有了解决的思路。至于代参数的函数我没有涉及到，但我想都得从这个 基本出发吧。还有些程序会使用动态链接库.so，那么应该使用nm的-D选项查看这些动态符号。（objdum的功能比nm更强大） 
有很多东西很基础我还罗嗦了很久，让大家见笑了:) 

还有一件事，那就是我这里链接采用了gcc -l的方式，更基本的是ld的方式，只要你知道链接哪些库，链接的顺序如何即可。但是为了简单安全方便，还是建议直接用相应的编译器完成链接工作（比如 fortran就用g77），因为它们的链接顺序已经理好了（并且它们除了链接自己的库还链接c库，而gcc只链接c库，所以用它们不用担心链不到c库， 而用gcc会担心链不到专有的库）。像上面的例子最后的链接的使用g77最好，因为我的例子很简单，而你的有可能很复杂。 

还想起来一件事，关于网上使用的例子有__stdcall的，那都是关于win api的。

我 对fortran一无所知，只知道其优势在于科学计算还比较方便，再有就是某领域的早期程序大多由fortran编写。出于重用方便的考虑，我们 现在要把fortran写的代码编译成动态链接库，然后通过C来调用。Windows下动态链接库是很常见的东西，linux下也有，换了一个名字，叫 standard object，大多形如lib*.so。SO文件可以通过编译器的-shared选项得到。

比如，我们有一个fortran程序名为subf1.f，如下：

subroutine sUbF1()
print*,'hello world.'
return
end

如果有一个C程序希望调用sUbF1()，就可以将 subf1.f 编译成为动态链接库。

gcc -shared -o libf1.so subf1.f

这个命令将产生libf1.so这个文件，此文件即是一个linux下的动态链接库。gcc会根据文件的扩展名来调用相应的编译器，不用你操心。此例中事实上实际的编译器是f77，我机器上没有f90。

在main.c里面调用sUbF1()，如下：

int main(){
subf1_();
return 0;
}

注意到我们调用的时候，名字变成了“ subf1_ ”。这是编译器（f77）的一个命名规则，没有为什么，它就是把你在fortran中的函数名字全转换成小写，然后在最后加一个下划线。 我昨天搜了很多版本，头昏脑胀，怎么调都说找不到，也没有想到要自己看看。今天一早突然想到用hex编辑器看一下就是了，于是一看，里面果然有真正的函数 名。后来看program版kb也给了正确的解答，很钦佩；伟大的康神还教导我抛弃hex编辑器，用nm，热泪盈眶……

找到正确的函数名，直接调用就可以，好像你已经在你的C文件里实现了这个函数一样，不需要include任何东西，只需要在编译时告诉编译器你用了哪个动态链接库就可以了，如下：

gcc -o out main.c libf1.so

这时候编译器有可能会报告如下错误：

libf1.so: undefined reference to 'do_lio'
libf1.so: undefined reference to 'e_wsle'
libf1.so: undefined reference to 's_wsle'

这时在后面加上-lg2c -B108的选项应该就可以了，也就是

gcc -o out main.c libf1.so -lg2c -B108

这时会得到out的可执行文件。运行out，屏幕会输出hello world。关于这两个选项，我也着实搜了一阵，不是很好搜。当时看了眼原因，可能是有关编译器版本和字符方面的