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。

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。

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。

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.

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?