Linux中的目标文件
一、目标文件的格式
Linux：ELF（Executable Linkable Format）
Windows：PE（Portable Executable）
COFF格式：PE和ELF都是源自COFF格式，Unix最早是a.out文件格式，为了解决共享库问题，引入了COFF格式。
- 引入了段的机制，不同目标文件可以拥有不同数量的段和类型
- 定义了调试数据格式
二、目标文件是什么？
目标文件就是与那代码编译后但未能链接的那些中间文件。（Linux中的.o，Windows中的.obj）
4种ELF文件
三、Linux中的目标文件
目标文件是经过了预处理、编译、汇编产生的ELF格式的文件。目标文件将代码、数据以及一些连接时需要的信息，通过 “节”或 “段” 存储。
分段的原因：
- 数据和指令映射到两个虚存空间，这两个空间的权限不同，可以防止程序指令被改写。
- 现代CPU缓存一般被设计成数据缓存和指令缓存分离，分段有利于提高程序的局部性。
- 程序中如果运行着许多副本，内存中只需要保存一份程序的指令部分。
主要分为两种段，代码段（.text）和数据段（.data，.bss）
| 名称 | 存储内容 |
|---|---|
| 栈 | 局部变量、函数参数、返回地址 |
| 堆 | 动态分配内存 |
| BSS段 | 未初始化或者初始值为0的全局变量或者局部静态变量 |
| 数据段(.test) | 已初始化且初始化值不为0的全局变量或者局部静态变量 |
| 代码段 (.data) | 可执行代码、字符串字面值、只读变量 |
示例代码
#include<stdio.h>
int data1; //.bss
int data2 = 0; //.bss
int data3 = 10; //.data
static int data4; //.bss
static int data5 = 0; //.bss
static int data6 = 20; //.data
int main() //.text
{
int a; //.text
int b = 0; //.text
int c = 10; //.text
static int data7; //.bss
static int data8 = 0; //.bss
static int data9 = 40; //.data
return 0;
}
四、深入 .o文件
编译：gcc -c main.c
查看文件解构：objdump -h main.o
Size：段的长度
File off：段的位置
4.1 代码段
objdump -s -d main.o
4.2 数据段
objdump -x -s -d main.o
可以清楚的发现，.data段中的前4个字节，从低到高为"0x0a 0x00 0x00 0x00 "这个值刚好是data3的值，10进制的10。
4.3 BSS段
objdump -x -s -d main.o
在之前的段表之中发现，.bss和.comment段的起始地址都是一样的。有些编译器会将全局的未初始化的变量放在.bss中，有些只是预留一个未定义的全局变量符号，等到链接的时候再在.bss段中分配空间。
可以在段表中发现，一些变量并未在.bss段中。
4.4 其他段
问题：将一个二进制文件作为目标文件的一个段？
4.5 自定义段
//变量:
__attribute__((section("FUN"))) int x = 10;
//函数：
__attribute__((section("BAR"))) void fun()
{
}
五、ELF文件
ELF目标文件格式：
- ELF文件头：包含着整个文件的基本属性，ELF文件版本、目标机器型号、程序入口地址。
- 各个段
- 段表：所有段的基本信息，段名、长度、偏移量、读写权限等
- 字符表和符号表
...
5.1 文件头
查看文件头：readlef -h main.o
文件头格式：
魔数：
文件头的结构和相关常数被定义在“/usr/include/elf.h”中，ELF文件有32为版本和64位版本，区别仅仅是成员大小不一样。
文件类型：
e_type类型表示ELF的文件类型，通常以ET_开头
机器类型：
e_machine
通常以EM_开头
"elf.h"定义了自己的类型：
通过Elf32_Ehdr观察文件头的结构和之前有些相似：
将ELF文件头结构与之前输出的一一对应：
5.2 段表
readelf -S main.o
显示ELF的主要段以及其他府逐段，如符号表、字符串表、段名字符串表、重定位表
段表的结构由"Elf32_Shdr"这个结构体数组保存，称为段描述符。
ELF段表数组的第一个元素是无效的段描述符，类型是"NULL"，也就是有效段的数量是显示段-1。
这是其中每个段的含义
5.3 重定位表
链接器在处理目标文件的时候，需要对目标文件中某些部位进行重定位，即代码段和数据段中队绝对地址引用的位置。
重定位表的类型是"SHT_REL"。对于每一个需要重定位的代码段和数据段，都会有一个重定位表。
如：.rel.text就是.text的重定位表，因为.text至少有一个绝对地址的引用，就是调用了printf函数。
5.4 字符串表
段名为：.strtab或者.shastrtab
用来保存普通字符串或者用来保存段表中用到的字符串。
六、强符号和弱符号
6.1 强符号和弱符号
强符号：编译器默认函数和初始化的全局变量
弱符号：未初始化的全局变量
注意：强弱符号都是对定义来说的，不是针对符号的引用的
extern int ext;
int weak1;
int strong = 1;
__attribute__((weak)) weak2 = 2;
int main()
{
return 0;
}
weak1 和 weak2 都是弱符号
strong 和 main 都是强符号
ext既不是强符号也不是弱符号，因为它是一个外部变量引用。
强弱符号也有如下规则：
- 不允许被多次定义（目标文件中不允许有同名的强符号）
- 一个符号在某目标文件中是强符号，在另一个文件中是弱符号，那么选择强符号。
- 一个符号在目标文件中都是弱符号，那么选择占用空间最大的那一个。
6.2 弱引用和强引用
强引用：没有找到符号的定义，链接器就会报符号未定义的错误。
弱引用：
- 如果没有定义，则链接器不报错；
- 如果该符号有定义，则链接器将该符号的引用决议；
- 对于未定义的弱引用，链接器不认为它是一个错误，一般未定义的弱引用，链接器默认是0，或者是一个特殊的值，以便程序代码能够识别。
__attribute__((weakref))void fun();
int main()
{
fun();
return 0;
}
使用__attribute__((weakref))声明为弱引用。
链接时并不会报错，但是执行时会报错。
因为fun函的地址为0，发生了访址错误。
总结
什么是目标文件，4种目标文件，Linux中的目标文件
ELF：
- 文件头
- 段表
- 重定位表
- 字符串表
- 符号表
- 调试表
强符号和弱符号
强引用和弱引用
