20135320赵瀚青《深入理解计算机系统》第七章读书笔记

链接的定义

链接是将各种代码和数据部分收集起来并组合成为一个单一文件的过程，这个文件可被加载(或被拷贝)到存储并执行。链接可以执行于编译时，也就是在源代码被翻译成机器代码时；也可以执行于加载时，也就是在程序被加载器加载到存储器并执行时；甚至执行于运行时，由应用程序来执行。

静态链接

Unix的静态链接器ld，以一组可重位目标文件和命令行参数作为输入，生成一个完全链接的可以加载和运行的可执行目标文件作为输出。输入的可重定位目标文件由各种不同的代码和数据节组成。指令在一个节中，初始化的全局变量在另一个节中，而未初始化的变量又在另外一个节中。
```javascript
##为了构造可执行文件，链接器必须完成两个主要任务：
* 1、符号解析(symbol resolution)。目标文件定义和引用符号。符号解析的目的是将每个符号引用刚好和一个符号定义联系起来。

* 2、重定位(relocation)。编译器和汇编器生成从地址0开始的代码和数据节。链接器通过把每个符号定义与一个存储器位置联系起来，然后修改所有对这些符号的引用，使得它们指向这个存储器位置，从而重定位这些节。





#目标文件

##目标文件有三种形式：

* 1、可重定位目标文件。包含二进制代码和数据，其形式可以在编译时与其他可重定位目标文件合并起来，创建一个可执行目标文件。

* 2、可执行目标文件。包含二进制代码和数据，其形式可以被直接拷贝到存储器并执行。

* 3、共享目标文件。一种特殊类型的可重定位目标文件，可以在加载或者运行地被动态地加载到存储器并链接。

编译器和汇编器生成可重定位目标文件(包括共享目标文件)。链接器生成可执行目标文件。从技术上来说，一个目标模块就是一个字节序列，而一个目标文件就是一个存放在磁盘文件中的目标模块。
可重定位目标文件



#一个典型的ELF可重定位目标文件的格式：
* text：已编译程序的机器代码。

* rodata：只读数据，比如printf语句中的格式串和开关语句的跳转表。

* data：已初始化的全局C变量。

* bss：未初始化的全局C变量。在目标文件中这个节不占据实际的空间，它仅仅是一个占位符。

* symtab：一个符号表，它存放在程序中定义和引用的函数和全局变量的信息。

* rel.text：一个.text节中位置的列表，当链接器把这个目标文件和其他文件结合时，需要修改这些位置。

* rel.data：被模块引用或定义的任何全局变量的重定位信息。

* debug：一个调试符号表，其条目是程序中定义的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。只有以-g选项调用编译驱动程序时才会得到这张表。

* line：原始C源程序中的行号和.text节中机器指令之间的映射。

* strtab：一个字符串表，其内容包括：.symtab和.debug节中的符号表，以及节头部中的节名字。字符串表就是以null结尾的字符串序列。



#符号和符号表

每个可重定位目标模块m都有一个符号表，它包含m所定义和引用的符号的信息。在链接器的上下文中，有三种不同的符号：
```javascript

1、由m定义并能被其他模块引用的全局符号。全局链接器符号对应于非静态的C函数以及被定义为不带C static属性的全局变量。

2、由其他模块定义并被模块m引用的全局符号。这些符号称为外部符号(external)，对应于定义在其他模块中的C函数和变量。

3、只被模块m定义和引用的本地符号。有的本地链接器符号对应于带static属性的C函数和全局变量。

符号解析

链接器解析符号引用的方法是将每个引用与它输入的可重定位目标文件的符号表中的一个确定的符号定义联系起来。

链接如何解析多重定义的全局符号

在编译时，编译器向汇编器输出每个全局符号，或者是强或者弱的符号，而汇编器会把这个信息隐含地编码在可重定位目标文件的符号表里。函数和已初始化的全局变量是强符号，未初始化的全局变量是弱符号。
根据强弱符号的定义，Unix链接器使用下面的规则来处理多重定义的符号（其它系统应该也适用的,I think，而且还要看编译器）：
规则1：不允许有多个强符号。
规则2：如果有一个强符号和多个弱符号，那么选择强符号。
规则3：如果有多个弱符号,那么从这些弱符号中任意选择一个。

6. 重定位

重定位两步

重定位节和符号定义：
链接器将所有相同类型的节合并为同一类型的新的聚合节，将运行时存储器地址赋给新的聚合节，赋给输入模块定义的每个节，以及赋给输入模块定义的每个符号。
此时，程序中的每个指令和全局变量都有唯一的运行时存储器地址了。
重定位节中的符号引用：
链接器修改代码节和数据节中对每个符号的引用，使得它们指向正确的运行时地址。
链接器依赖于称为重定位条目的可重定位目标模块中的数据结构。

重定位条目

无论何时汇编器遇到对最终位置位置的目标引用，它就会生成一个重定位条目，告诉链接器在将目标文件合并成可执行文件时如何修改这个引用。
代码的重定位条目放在.rel.text中。
已初始化的数据的重定位条目放在.rel.data中。
ELF定义了11种不同的重定位类型。

重定位符号引用

• 相对引用
• 绝对引用

8. 动态连接共享库

静态库的缺点

首先，静态库在更新时，使用该库的程序需要与更新的库进行重新链接。
其次，由于使用静态库的程序在链接时都会拷贝静态库里被应用程序引用的目标模块，像printf和scanf这样的函数的代码在运行时都会被复制到每个运行进程的文本段中，这造成了冗余，浪费了稀缺的存储器资源。

共享库

共享库是一个目标模块，在运行时，可以加载到任意的存储器地址，并和一个在存储器中的程序链接起来。这个过程称为动态链接，是由一个叫做动态链接器的程序来执行的。
共享库也称为共享目标，在Unix系统中通常用.so后缀来表示。微软的操作系统大量地利用了共享库，它们称为DLL(动态链接库)。
共享库是以两种不同的方式来“共享”的(在Windows中分别称为“隐式链接”和“显示链接”)。
首先，在任何给定的文件系统中，对于一个库只有一个.so文件。所有引用该库的可执行目标文件共享这个.so文件中的代码和数据，而不是像静态库的内容那样被拷贝和嵌入引用它们的可执行的文件中。
其次，在存储器中，一个共享库的.text节 一个副本可以被不同的正在运行的进程共享。

处理目标文件的工具

AR：创建静态库，插入、删除、列出和提取成员。
STRINGS：列出一个目标文件中所有可打印的字符串。
STRIP：从目标文件中删除符号的信息。
NM：列出一个目标文件的符号表中定义的符号。
SIZE：目标文件中节的名字和大小。
READELF：显示一个目标文件的完整结构，包括ELF头中的编码的所有信息。包含SIZE和NM的功能。
OBJDUMP：所有二进制工具之母，能够显示一个目标文件中所有的信息。它最大的作用是反汇编.text节中的二进制指令。
LDD：列出一个可执行文件在运行时所需要的共享库。