第七章：链接

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链接：将各种代码和数据片段收集并组合成为一个单一文件的过程，这个文件可被加载（复制）到内存并执行

链接的好处

  • 帮助构建大型程序
  • 避免危险的编程错误
  • 理解语言的作用域规则的实现原理
  • 理解其他的系统概念
  • 利用共享库

编译器驱动程序

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//main.c
int sum(int *a,int n);

int array[2] = {1,2};

int main()
{
	int val = sum(array,2);
	return val;
}
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//sum.c
int sum(int *a,int n)
{
	int i,s=0;
	
	for(i =0;i<n;i++)
	{	
		s+=a[i];
	}
	return s;
}

通过GCC编译器驱动程序，可以调用语言预处理器、编译器、汇编器和链接器。
在shell中输入下列命令，驱动程序会将main.c和sum.c翻译成可执行目标文件prog

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[linux]$ gcc -Og -o prog main.c sum.c

下图概括了具体步骤：

  • 运行C预处理器（cpp），将main.c翻译成中间文件main.i
  • 运行C编译器（cc1），将main.i翻译成一个ASCII汇编语言文件main.s
  • 运行汇编器（as），将main.s翻译成一个可重定向目标文件main.o
  • 以相同的步骤生成sum.o
  • 运行链接器程序ld，将main.o和sum.o以及必要的系统目标文件组合，生成一个可执行目标文件prog
  • 输入“linux> ./prog”，系统将调用加载器，将prog中的代码和数据复制到内存，并将控制移至程序开头

静态链接

通过静态链接器以一组可重定位目标文件和命令行参数作为输入，生成完全链接、可加载和运行的可执行目标文件作为输出。
要完成以上任务，链接器需完成以下步骤：

  • 符号解析：将每个符号引用和符号定义关联起来
  • 重定位：把每个符号定义和一个内存位置关联起来，然后修改所有符号引用，使它们指向这个内存位置

目标文件

纯粹就是字节块的集合，这些块中，有些包含程序代码，有些包含数据，其他则包含引导链接器和加载器的数据结构。链接器将这些块重新组合，确定它们的运行位置。

  • 可重定位目标文件：包含二进制代码和数据
  • 可执行目标文件：可直接被复制进内存并运行
  • 共享目标文件：特殊的可重定位目标文件，可以在加载和运行时被动态地加载进内存并链接

下图是一个典型的可执行可链接格式（ELF）可重定位目标文件格式

  • ELF头：以一个16字节的序列开始，描述了生成该文件的系统的字的大小和字节顺序。其次还包括ELF头的大小、目标文件的类型、机器类型（x86-64）、节头部表的文件偏移、节头部表中的条目大小和数量
  • 节头部表：描述不同节的位置和大小
  • .text：以编译程序的机器代码
  • .rodata：只读数据
  • .data：已初始化的全局和静态C变量
  • .bss：未初始化的全局和静态变量，以及初始化为0的全局或静态变量。这个节不占据实际空间，仅仅是占位符，所以在运行时，这些变量被初始化为0
  • .symtab：符号表，包含在定义和引用的函数和全局变量的信息。但是不包含局部变量的条目
  • .rel.text：通常省略
  • .rel.data：被引用的或定义的所有全局变量的重定位信息
  • .debug：调试符号表，只有以-g调用编译器驱动程序时才会得到这种表，其条目是局部变量和类型定义，程序中定义和引用的全局变量，以及原始的c源文件
  • .line：原始c源程序和.text节中机器指令之间的映射，同样要以-g调用时才能得到
  • .strlab：字符串表，包括.symlab和.debug节中的符号表，以及节头部中的节名字

可重定位目标文件