stdio是标准C库的一部分，默认情况下，GCC将链接到该库。

数学函数实现在一个单独的libm文件中，默认情况下没有链接到该文件，因此必须指定它为-lm。顺便说一下，这些头文件和库文件之间没有关系。

我认为这有点武断。您必须在某个地方划清界限(哪些库是默认的，哪些库需要指定)。

它让你有机会用一个具有相同功能的不同产品来替代它，但我不认为这样做很常见。

我认为GCC这样做是为了保持与原始cc可执行文件的向后兼容性。我猜cc为什么这样做是因为构建时间——cc是为比我们现在的功率小得多的机器编写的。许多程序没有任何浮点数学运算，它们可能会将所有不常用的库从默认值中删除。我猜Unix操作系统的构建时间和与之配套的工具是驱动因素。

我猜，这是一种使根本不使用它的应用程序性能稍好一些的方法。以下是我的看法。

x86操作系统(我想还有其他操作系统)需要在上下文切换中存储FPU状态。然而，大多数操作系统只在应用程序第一次尝试使用FPU时才会保存/恢复这种状态。

除此之外，在数学库中可能还有一些基本代码，可以在加载库时将FPU设置为正常的基状态。

所以，如果你根本不链接任何数学代码，这一切都不会发生，因此操作系统根本不需要保存/恢复任何FPU状态，使上下文切换稍微更有效。

不过这只是猜测。

同样的基本前提仍然适用于非fpu情况(前提是，它是为了让没有使用libm的应用程序表现得更好)。

例如，如果有一个在c语言早期很可能出现的软fpu，那么将libm分开可以防止大量不必要的大代码(如果使用它的话会很慢)被链接。

此外，如果只有静态链接可用，则适用类似的论点，即它将保持可执行文件的大小和编译时间较短。

在《GCC介绍-与外部库链接》中有关于链接到外部库的详细讨论。如果一个库是标准库(如stdio)的成员，则不需要指定编译器(实际上是链接器)来链接它们。

在阅读了一些其他的回答和评论后，我认为libc。参考文献和它链接到的libm参考文献都有很多关于为什么两者是分开的。

Note that many of the functions in 'libm.a' (the math library) are defined in 'math.h' but are not present in libc.a. Some are, which may get confusing, but the rule of thumb is this--the C library contains those functions that ANSI dictates must exist, so that you don't need the -lm if you only use ANSI functions. In contrast, `libm.a' contains more functions and supports additional functionality such as the matherr call-back and compliance to several alternative standards of behavior in case of FP errors. See section libm, for more details.

stdlib.h和stdio.h中的函数在libc中有实现。所以(或libc。A用于静态链接)，默认情况下链接到可执行文件中(就像指定了-lc一样)。可以指示GCC使用- nodlib或-nodefaultlibs选项避免这种自动链接。

math.h中的数学函数在libm中有实现。所以(或libm。A表示静态链接)，默认情况下不链接libm。libm/libc的分裂是有历史原因的，但没有一个令人信服。

有趣的是，c++运行时libstdc++需要libm，因此如果使用GCC (g++)编译c++程序，将自动链接到libm。

如果我放入stdlib.h或stdio.h，我不需要链接它们，但我必须在编译时链接:

Stdlib.h, stdio.h是头文件。你把它们包括进来是为了方便。如果你链接到适当的库中，它们只预测哪些符号是可用的。实现在库文件中，这是函数真正存在的地方。

包含math.h只是获得对所有math函数的访问权的第一步。

此外，如果你不使用它的函数，你也不必链接到libm，即使你做了#include <math.h>，这只是一个关于符号的信息步骤，对于编译器来说。

Stdlib.h, stdio.h指的是libc中可用的函数，这些函数总是被链接在一起，这样用户就不必自己做了。

请记住，C是一种古老的语言，而fpu是相对较新的现象。我第一次看到C语言是在8位处理器上，即使是32位整数运算也要做很多工作。许多实现甚至没有可用的浮点数学库!

即使在最初的68000台机器上(Mac、Atari ST、Amiga)，浮点协处理器也常常是昂贵的附加组件。

要完成所有这些浮点运算，您需要一个相当大的库。数学运算会很慢。所以你很少使用浮动。你试着用整数或按比例的整数来做所有的事情。当你必须包括math.h时，你咬紧牙关。通常，您会编写自己的近似和查找表来避免这种情况。

Trade-offs existed for a long time. Sometimes there were competing math packages called "fastmath" or such. What's the best solution for math? Really accurate but slow stuff? Inaccurate but fast? Big tables for trig functions? It wasn't until coprocessors were guaranteed to be in the computer that most implementations became obvious. I imagine that there's some programmer out there somewhere right now, working on an embedded chip, trying to decide whether to bring in the math library to handle some math problem.

这就是数学不是标准的原因。许多或大多数程序都没有使用一个浮点数。如果fpu一直存在，浮点数和双精度浮点数的操作成本一直很低，毫无疑问，就会有一个“标准数学”。

如前所述，C库libc默认是链接的，该库包含stdlib.h、stdio.h和其他几个标准头文件的实现。只是补充一下，根据“GCC介绍”，C语言中基本“Hello World”程序的链接器命令如下所示:

ld -dynamic-linker /lib/ld-linux.so.2 /usr/lib/crt1.o
/usr/lib/crti.o /usr/libgcc-lib /i686/3.3.1/crtbegin.o
-L/usr/lib/gcc-lib/i686/3.3.1 hello.o -lgcc -lgcc_eh -lc
-lgcc -lgcc_eh /usr/lib/gcc-lib/i686/3.3.1/crtend.o /usr/lib/crtn.o

注意第三行中链接C库的选项-lc。

这里给出一个解释:

因此，如果您的程序使用数学函数并包含math.h，那么您需要通过传递-lm标志显式地链接数学库。这种特殊分离的原因是数学家对计算数学的方式非常挑剔，他们可能希望使用自己的数学函数实现而不是标准实现。如果数学函数集中到libc中。A这是不可能的。

(编辑)

不过，我不确定我是否同意这一点。如果你有一个库，它提供了，比如说，sqrt()，并且你在标准库之前传递它，Unix链接器会获取你的版本，对吗?

因为time()和其他一些函数是内置在C库(libc)中定义的，GCC总是链接到libc，除非你使用- ffrestanding compile选项。然而，数学函数存在于libm中，并不是由gcc隐式链接的。

因为荒谬的历史实践，没有人愿意修正。将C和POSIX所需的所有函数合并到一个库文件中，不仅可以避免反复询问这个问题，还可以在动态链接时节省大量的时间和内存，因为所链接的每个.so文件都需要文件系统操作来定位和查找它，并占用一些页面用于静态变量和重定位等。

所有函数都在一个库中，-lm， -lpthread， -lrt等选项都是无操作(或链接到空的.a文件)的实现是完全符合POSIX的，当然更可取。

注意:我谈论POSIX是因为C本身没有指定任何关于如何调用编译器的内容。因此，您可以将gcc -std=c99 -lm视为必须调用编译器以实现一致行为的特定实现方式。

所有像stdio.h和stdlib.h这样的库都在libc中实现。或者libc。默认情况下被链接器链接。libc的库。因此在编译时自动链接并包含在可执行文件中。

但是math.h在libm中有它的实现。或者是libm。A是独立于lib。所以。默认情况下它不会被链接，您必须在GCC中编译程序时使用-lm标志手动链接它。

GNU GCC团队将其设计为与其他头文件分离，而默认情况下其他头文件会被链接，但math.h文件不会。

这里阅读第14.3项，如果你愿意，你可以全部阅读: math.h需要连接的原因

看看这篇文章:为什么我们必须在GCC中链接math.h ?

来看看用法:

使用图书馆

注意，即使使用一些C数学函数，-lm也不一定总是需要指定。

例如，下面这个简单的程序:

#include <stdio.h>
#include <math.h>

int main() {

    printf("output: %f\n", sqrt(2.0));
    return 0;
}

可以编译并成功运行如下命令:

gcc test.c -o test

它在GCC 7.5.0 (Ubuntu 16.04)和GCC 4.8.0 (CentOS 7)上进行了测试。

这篇文章给出了一些解释:

你调用的数学函数是由编译器内置函数实现的

参见:

GCC提供的其他内置函数 如何让gcc编译器不优化标准库函数调用如printf?

这是个bug。你不必再显式地指定-lm了。也许如果有足够多的人抱怨，它就会被修复。(我并不真的相信这一点，因为坚持这种区别的维护者显然非常固执，但我希望如此。)