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Comecei a estudar sobre compilação de múltiplos arquivos e me surgiu uma dúvida. Quando criamos um novo header, temos que criar um outro arquivo com a implementação dos protótipos contidos na header, criar o objeto e compilar tudo junto. Porém, quando incluímos bibliotecas padrão, como por exemplo a stdio.h, não necessitamos criar o arquivo objeto dele e nem compilar ele junto. Porque e como isso é feito?? As funções já são implementadas dentro destas bibliotecas padrão?

Desde já, obrigado.

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TL/DR: Seu compilador / linkeditor está encontrando as dependências que você incluiu (e.g., stdlib.h) em alguma biblioteca no caminho padrão. Conforme as opções de compilação / linkedição, a biblioteca está sendo incluída dinamicamente ou estaticamente.

Sua pergunta tem uma reposta simples, porém não é possível falar sobre o que acontece sem rever uma série de conceitos:

Bibliotecas dinâmicas vs estáticas

Bibliotecas em C / C++ podem ser linkadas estaticamente ou dinamicamente.

Em um simplificação grosseira, linkedição estática produz um executável independente com uma cópia da biblioteca; ou seja, você acaba com um executável maior contendo o binário da sua aplicação e da biblioteca. Caso você necessite alterar a biblioteca terá que recompilar o seu aplicativo para incluir as novas alterações.

Em oposição, linkedição dinâmica produz artefatos independentes. Uma biblioteca compartilhada (geralmente .so em sistemas *NIX e .dll no Windows) é carrega em load time ou run time. Grosseiramente a aplicação que referencia uma biblioteca dinâmica contém uma "tabela de símbolos" indicando dependências externas, quando alguma dessas dependências (e.g., uma função qualquer) é requisitada ela é "carregada em memória" (os detalhes do "algoritmo" que determina como e qual biblioteca deve ser "carregada" são complexos, não quero entrar nesse mérito).

A vantagem das bibliotecas dinâmicas é que uma única biblioteca pode ser compartilhada entre vários executáveis; adicionalmente as bibliotecas também podem ser atualizadas de forma independente (desde que seja mantida a compatibilidade binária). A desvantagem é que projetos complexos podem acabar com um grafo profundo de dependências, criando todo tipo de problema (incompatibilidade de versões, inclusão acidental de versões legadas da biblioteca, necessidade de fazer backport de fixes de segurança para versões legadas, etc, etc, etc).

Templates

Além de protótipos de funções, structs, classes e enumerações (parte da "assinatura / interface" de determinada biblioteca), templates são incluídos nos cabeçalhos. Em tempo de compilação / linkedição são geradas versões específicas das construções parametrizadas (e.g., uma versão com int e outra com float de um template da função) embarcadas no binário da aplicação. É por isso que em alguns compiladores o tamanho do binário cresce significamente quando você utiliza, por exemplo, a std.

Como o linkeditor encontra uma biblioteca

Como o seu linkeditor encontra uma biblioteca? Grosseiramente ele faz uma busca no path (caminho) em que bibliotecas são disponibilizadas. A resposta do @pmg menciona a libc; o linkeditor pode encontrar uma implementação como a libc.so ou msvcrt.lib em uma infinidade de locais por uma infinidade de regras (flags passadas para o linkeditor, variáveis de ambiente como LD_LIBRARY_PATH, diretórios padrão como /usr/lib, diretório atual da aplicação, etc, etc, etc). As regras geralmente variam com o sistema operacional e a stack de build.

Então o que acontece de verdade quando incluo bibliotecas como stdlib.h, iostream, etc?

Em aplicações suficientemente complexas, as bibliotecas necessárias são localizadas e ocorre uma combinação de linkedição dinâmica e estática, bem como instanciação / expansão de templates. Enquanto boa parte dos compiladores vão, por padrão, fazer o possível para linkar bibliotecas dinamicamente, uma parte do código das bibliotecas acaba sendo diretamente ou indiretamente copiado / expandido dentro do executável.

Linkeditores geralmente são capazes de reportar tudo o que foi linkado estaticamente e dinamicamente (e.g., gcc -Wl --verbose). Adicionalmente, ferramentas como ldd e Dependency Walker conseguem listar dependências.

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A compilacao das funcoes que tem os prototipos, por exemplo, em <stdio.h> foi feita por outra pessoa noutro computador. Essa pessoa meteu esses objectos compilados numa biblioteca e quando instalaste o teu Sistema Operativo (ou compilador) tambem instalaste essa biblioteca. A biblioteca em questao chama-se "libc" e, se nao disseres nada em contrario ao compilares um programa teu o compilar automaticamente inclui essa biblioteca.

Nota que essa mesma biblioteca tem o resultado da compilacao de muitas outras funcoes alem das que tem prototipo em <stdio.h>.

Por razoes historicas, as funcoes com prototipo em <math.h> nao se costuman adicionar a biblioteca libc, mas sim a biblioteca libm. Alguns compiladores nao pesquisam na biblioteca libm quando compilam, por isso, para esses compiladores, 'e necessario indicar essa biblioteca

gcc main.c -lm

O -l da invocacao do gcc, indica ao compilador para pesquisar na biblioteca especificada, precedida de "lib".

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