C言語におけるリンカエラーLNK2004の原因と対策について解説

C言語の開発環境で発生するリンカエラーLNK2004は、ショートセクションのサイズが不足することが原因となるケースがあります。

例えば、データが大きすぎる際に発生し、#pragmaや__declspec(allocate())を使ってロングセクションへデータ配置を変更する方法で対処することが効果的です。

リンカエラーLNK2004の発生要因

ショートセクションの制限

ショートセクションとロングセクションの違い

C言語のビルド環境では、データは通常「ショートセクション」と呼ばれる領域に配置されます。

ショートセクションはセクションサイズが小さいデータ向けであり、基本的には短いオフセットを持つことを前提に管理されます。

一方、ロングセクションは大きなデータや連続したデータのグループを格納するために利用され、アドレスオフセットが広い範囲を扱うことができます。

これらの違いにより、ショートセクションに大容量のデータを配置すると、許容範囲を超えるオフセットが発生し、結果としてリンカエラーが発生する可能性があります。

オーバーフローのメカニズム

リンカエラーLNK2004は、gp relative fixupにおいてtargetへのオーバーフローが原因で発生します。

これは、ショートセクション内に配置されたデータが、通常のアドレスオフセットの範囲を超えた場合に起こります。

具体的には、$\mathrm{\Delta }\text{offset}$が許容可能な値を超えたときに発生するもので、セクション全体のサイズやデータの配置状況が影響します。

リンク処理において、対象データの配置先がショートセクションの許容サイズを上回る場合、リンカは正しくアドレス計算ができず、エラーを報告する仕組みになっています。

データ配置の問題点

gp相対fixupの課題

gp relative fixupは、アセンブリレベルでデータの位置参照を効率化するために利用される仕組みです。

しかし、データの配置状況が複雑化すると、gpレジスタからのオフセットが大きくなり、許容範囲を超えることがあります。

特に、複数の変数や配列が個別に配置された場合、各変数間の相対距離が拡大し、fixup処理でエラーを引き起こすリスクがあります。

リンカ動作の特性

リンカは、コンパイルされた各オブジェクトファイルのセクションを統合して最終的な実行ファイルを生成します。

その際、ショートセクションに属するデータは、固定のオフセット範囲で管理されるため、データサイズが大きくなるとオフセットの計算に問題が発生しやすくなります。

また、リンカはセクション間の配置関係を厳密に管理するため、意図しないデータの配置や配置順序の変更が、エラーを引き起こす原因となる場合があります。

対策の実装方法

#pragma指令の利用

セクション指定の方法

C言語では、#pragma sectionディレクティブを利用して、データを特定のセクションに配置することができます。

例えば、以下のように記述することで、データをロングセクションに明示的に配置できます。

#include <stdio.h>
// ".data$mylong"という名前のロングセクションを定義
#pragma section(".data$mylong", read, write, long)
__declspec(allocate(".data$mylong"))
char dataLong[16] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 };
int main(void) {
    // ロングセクションに配置されたデータを利用する例
    printf("dataLong[0] = %d\n", dataLong[0]);
    return 0;
}

dataLong[0] = 1

この方法を用いると、ショートセクションのサイズ制限を回避し、データ配置エラーを防ぐことができます。

実装上の留意点

#pragma sectionによるセクション指定を行う際は、セクション名の命名規則や、読み書き権限、配置されるセクションの属性に注意が必要です。

異なるモジュール間でセクション名が一致していない場合、期待した配置が行われず、エラーが解消されない可能性があります。

また、セクション属性の設定ミスは、実行時の動作に影響を及ぼすため、コンパイラのドキュメントを参照しながら設定することが大切です。

__declspec(allocate())の活用

明示的なデータ配置の手法

__declspec(allocate())を使用すると、変数のデータ配置先を明示的に指定することができます。

これにより、同一のセクションに複数のデータをまとめて配置することが可能になり、ショートセクションにおけるサイズオーバーフローを回避する対策となります。

例えば、以下のコードでは、複数の変数が明示的にロングセクションに配置されています。

#include <stdio.h>
// ".data$mylong"セクションを定義
#pragma section(".data$mylong", read, write, long)
__declspec(allocate(".data$mylong"))
char segment1[8] = { 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 };
int main(void) {
    // 配置されたデータの値を表示する例
    printf("segment1[0] = %d\n", segment1[0]);
    return 0;
}

segment1[0] = 10

利点と注意事項

__declspec(allocate())によって、データの配置先を明示する利点は、リンカが自動的に行うセクションの配置を細かく制御できる点にあります。

これにより、特定の領域にデータをグループ化し、オーバーフローによるエラー発生を未然に防げます。

ただし、全てのデータを無理に同一セクションに配置することは避け、必要なデータのみを対象とするように注意してください。

セクション属性はリンク時の最終的な実行ファイルの動作にも影響を与えるため、設定ミスや過剰な指定は避けるべきです。

サンプルコードの分析

コード例による解説

データ配置の構造

以下のサンプルコードでは、#pragma sectionと__declspec(allocate())を併用して、変数をロングセクションに配置する方法を示しています。

コード内のコメントにより、各部分の役割がわかりやすく説明されています。

#include <stdio.h>
// ロングセクション".data$mylong"を定義し、属性を設定
#pragma section(".data$mylong", read, write, long)
// 変数dataArrayをロングセクションに配置
__declspec(allocate(".data$mylong"))
char dataArray[16] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 };
int main(void) {
    // dataArrayの先頭要素を表示することで、正しくロングセクションに配置されたことを確認する
    printf("dataArray[0] = %d\n", dataArray[0]);
    return 0;
}

dataArray[0] = 1

各処理の役割

このコード例では、まず#pragma sectionを利用して、セクション名とその属性(読み取り、書き込み、ロング属性)を指定しています。

その後、__declspec(allocate())によって、変数dataArrayを指定したセクションに配置しています。

main関数内では、配置されたデータの内容を出力することで、正しいセクションへの配置が行われたかどうかを確認できるようになっています。

データグループ化による対策

構造体を用いた整理手法

データを個別に配置するのではなく、論理的にグループ化することで一つの構造体にまとめる方法があります。

構造体にまとめると、コンパイラはそのデータを単一のまとまりとしてロングセクションに配置するようになるため、個々の変数が散らばって配置されるよりも、gp relative fixupのオフセットが抑えられるメリットがあります。

以下のサンプルコードは、構造体を利用してデータをグループ化する例です。

#include <stdio.h>
// 複数のデータをグループ化する構造体の定義
struct DataGroup {
    int w1;
    int w2;
    int w3;
    int w4;
};
int main(void) {
    // 構造体インスタンスを初期化し、各メンバーに値を設定
    struct DataGroup dataGroup = { 23, 46, 69, 92 };
    // 構造体の各メンバーを表示して、グループ化によるデータ配置の効果を確認する
    printf("w1: %d, w2: %d, w3: %d, w4: %d\n", dataGroup.w1, dataGroup.w2, dataGroup.w3, dataGroup.w4);
    return 0;
}

w1: 23, w2: 46, w3: 69, w4: 92

実装時の工夫点

構造体を用いてデータをまとめる際は、論理的に関連するデータを一つのまとまりとして設計することが重要です。

また、グループ内のメンバーの順序やサイズが、リンカの処理に影響を与える場合があるため、適切な順序で配置されるように工夫が必要です。

例えば、同じサイズの変数を連続させることで、セクション内での連続性が保たれ、リンク時のオフセット計算が容易になるメリットがあります。

これにより、ショートセクションのサイズオーバーフローのリスクを低減することが可能です。

まとめ

この記事では、リンカエラーLNK2004の原因として、ショートセクションのサイズ制限とそれに伴うgp relative fixupのオーバーフローがあることが分かります。

また、#pragma指令や__declspec(allocate())を活用して、データをロングセクションに配置する対策方法や、構造体によるデータグループ化の効果についても学べます。

具体的なサンプルコードを通して、実装上のポイントや注意点が理解でき、エラー回避に向けた実践的な知識を得られる内容となっています。