コグノスケ

freestandingとnostdlib

目次: GCC

コンパイラオプションで-ffreestanding -nostdlibを指定したときと、-nostdlibだけを指定したときの挙動の違いをメモしておきます。

int printf(const char *a, ...);

void _start(void)
{
        printf("\n");
}

おそらくこの例がわかりやすいと思います。-ffreestanding -nostdlibの場合は「freestanding環境」をしてします。C言語の規格ではhostedとfreestandingの2つが定められていて、hostedは全ての標準ライブラリ関数が使える環境、freestandingは標準Cライブラリが存在しない環境（※）を意味します。OSのない環境などを想定しています。

このときprintf() は素直にprintf() 関数の呼び出しとしてコンパイルされます。したがって、

$ gcc -g -Wall -ffreestanding -nostdlib a.c

/usr/bin/ld: /tmp/ccclc296.o: in function `_start':
a.c:4: undefined reference to `printf'

リンクエラーも「printfがないよ」となります。これはnostdlibを指定しているので、暗黙のうちにリンクされる標準Cライブラリ（-lc）すらもリンクされないからです。

一方、ffreestandingを指定しない場合は、標準Cライブラリが存在するものとして最適化が働きます。この例で言えば、printf("\n"); はputchar('\n') に置き換えた方が良いね！という最適化が働きます。したがって、

$ gcc -g -Wall -nostdlib a.c

/usr/bin/ld: /tmp/ccZ5E2Qq.o: in function `_start':
a.c:4: undefined reference to `putchar'

リンクエラーは「putcharがないよ」となります。

（※）標準ヘッダのうちfloat.h, iso646.h, limits.h, stdarg.h, stdbool.h, stddef.hのみ使えます。
正確な意味が知りたければ、C99 draft TC3 (N1256) 4.Conformanceの6. を参照ください。

どちらを使うか

どちらが良いとかではなくて、作りたいシステム次第です。

標準Cライブラリを使わず、CライブラリのAPIを前提とした最適化をされると困るなら、-ffreestandingを指定しなければなりません。コンパイラが抱えているCライブラリの代わりに、あえて別の標準Cライブラリ準拠のライブラリを使う（つまりfreestandingではない）ときは、-ffreestandingは使わず -nostdlibだけの方が実行速度などで有利だと思われます。