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文章目录
- 【第2部分】静态链接
- 1 编译过程
- 2 编辑器的工作流程
- 3 链接——模块的拼接
- 4 目标文件
- 目标文件中的段（section）
- ELF文件结构
- 5 静态链接
- 1 空间与地址分配
- 2 符号解析与重定位
- 【第3部分】装载与动态链接
- 1 装载的方式
- 2 进程的启动
- 3 为什么需要动态链接？
- 4 动态链接的基本实现
- 5 位置无关码（PIC）
- 6 显式运行时链接（Explicit Run-time Linking）
【第2部分】静态链接
1 编译过程
- 预编译
预编译将源文件和包含的头文件编排成xx.i的预编译文件，主要是将#include的文件内容替换进源文件，并且将宏定义（#define）展开，还有处理预编译指令（#if、#ifdef等）以及删除注释等等。 - 编译
简单来说就是将C语言代码转换成汇编代码； - 汇编
汇编器将汇编代码转换成机器码，产出一个xx.o目标文件； - 链接
对目标文件进行编排，组合成可执行文件或者库（目标文件的包）。
2 编辑器的工作流程
词法分析->语法分析->语义分析->源代码优化->目标代码生成和优化。
3 链接——模块的拼接
问题引入：当一个程序被分割成多个模块时，最终如何组成的一个可执行程序？
链接的过程包括：
- 地址和空间分配
- 符号决议（symbol resolution），或符号绑定（symbol binding）
- 重定位（relocation）——给程序中引用某个绝对地址的指令打补丁
链接器会根据指令所引用的符号，找到符号的地址，然后修正指令。
4 目标文件
Linux上，我们统称目标文件和可执行文件为ELF格式的文件，广义上他们几乎是一样的。
ELF文件有以下4大类：
- Relocatable File —— xx.o
- Executable File
- Shared Object File —— .so
- Core Dump File
目标文件中的段（section）
ELF文件结构
- 文件头-ELF Header
可以使用readelf -h xx.o来查看文件头。 - 段表-Section Header Table
使用readelf -S来查看ELF文件包含的段。 - 重定位表-Relocation Table0
.rel.text和.rel.data，记录重定位信息 - 字符串表
把字符串集中起来存放到一个表里，然后通过使用偏移地址来引用字符串（结尾为空字符），包括.strtab（符号名的字符串）和.shstrtab（段名的字符串）
5 静态链接
1 空间与地址分配
扫描所有目标文件，收集所有的符号定义和符号引用，放到全局符号表中；计算出各个文件的各个段在合并后的位置以及长度，建立映射关系。
2 符号解析与重定位
在编译文件时，一些函数是在外部文件中定义的，编译器并不知道它的地址，就暂时将它们的地址设为0，真正的地址计算和修改则留给链接器。
那么链接器如何知道哪些指令中使用的地址需要重定位？这时就轮到重定位表发挥作用了，重定位表记录了每个符号的入口地址在表中的偏移地址。
【第3部分】装载与动态链接
1 装载的方式
- 覆盖装入：由程序员管理模块何时被加载到内存，该方式已被淘汰
- 页映射：以页为单元在磁盘和内存之间装载或置换数据
2 进程的启动
- 创建虚拟地址空间（通过MMU映射到物理内存）
- 读取可执行文件的文件头，建立虚拟地址空间和可执行文件的映射关系（用于加载可执行文件所在的页到内存）
- 将CPU指令寄存器设置成可执行文件入口
3 为什么需要动态链接？
- 只使用静态链接，会造成内存和磁盘的浪费；
- 使用静态链接时，如果某个模块更新，那么整个程序都要重新编译；
动态链接：等到程序开始运行时才进行链接。
4 动态链接的基本实现
程序装载时，动态链接器将所需要的动态库装载到进程地址空间，将所有未决议的符号绑定到相应的动态链接库，并进行重定位工作。
为了优化程序装载时进行链接的性能问题，采取了延迟绑定等方法。
用cat /proc/xxxx/maps即可查看某个进程的的虚拟地址空间分布，其中可以看到部分引用的.so动态库所被映射的位置，其中有一个库为ld-x.x.so，这实际上就是linux的动态链接器，进程运行前会先跳转到动态链接器的代码中运行，完成链接工作后再跳转回进程代码运行。
5 位置无关码（PIC）
装载时重定位——把动态库的重定位也推迟到装载时进行。但有一个问题，动态链接库的代码在多个进程间共享，而重定位需要修改其指令，每个进程需要的修改可能不一样（比如跳转的地址不一样），那么就没法共享了。
PIC的基本思想：将指令中需要修改的部分分离出来，放到数据段中，这样指令部分就可以保持不变，而数据段对于每个进程都是有自己的独一份的。
模块间的数据访问：在数据段里建立一个指向外部变量的指针数组，即全局偏移表（Global Offset Table，GOT）。在编译时即确定GOT相对于当前指令的偏移，同时确定GOT中每个地址对应于哪个变量；模块装载时，加载器查找每个变量的实际地址，填充GOT的各个项。
如何区分动态库是否为PIC：readelf -d xx.so | grep TEXTREL，如果输出为空，则不是PIC。so库必须是PIC才能真正实现共享。
6 显式运行时链接（Explicit Run-time Linking）
或者叫运行时加载，即程序运行时自己指定加载的模块，且可以在不需要时将模块卸载。这可以用来实现插件、驱动等。程序可以通过4个API对动态库进行操作：
- dlopen()：加载动态库到进程地址空间
- dlsym()：找到所需的符号所在的地址
- dlclose()：卸载模块
- dlerror()：调用上面3个函数后，可以通过调用该函数判断前者调用是否成功