CSAPP阅读笔记-链接-第七章-P464-P500

链接概述

经预处理器->编译器->汇编器处理后，源文件可被转化为一组可重定位目标文件，链接器将它们组合起来形成可执行文件。

每个可重定位目标文件由不同的“代码节”和“数据节”组成，每一个节都是一个连续的字节序列。由于每个可重定位目标文件的生成是独立的，因此组合时会出现两个问题：

一是若某个可重定位目标文件中使用了外部的全局变量，而此变量定义于另一个可重定位目标文件中，怎么办？

二是生成目标文件时如何确定地址。链接器生成的可执行文件在实际运行时，需要由加载器将其代码及数据复制到内存，再将控制转移到此程序的开头，若每个链接前的目标文件都以0为起始地址，势必会造成重合，怎么办？

这就是链接器要做的两件事：符号解析与重定位

符号解析：目标文件中可能会定义或引用一定的函数，全局变量或静态变量，这些都是所谓的“符号”，符号解析的目的就是把符号的定义和引用关联起来。

重定位：如上所述，第二个问题的解决方案就是重定位，链接器会把符号的定义与内存位置相关联，重定位时将符号的引用指向此内存位置。

可重定位目标文件

下图为典型的可重定位目标文件结构：

可重定位目标文件的内容以“节”的形式存在。

ELF头描述一些系统的和文件本身的信息。

节头部表描述不同节的位置和大小。

简略讲述几个重要的节：

.text节存放代码，.rodata节存放只读数据，.data节存放已初始化的全局和静态变量，.bss节存放未初始化或被初始化为0的全局和静态变量，此节不占用实际空间，只有在运行时才会被分配实际内存空间，另外局部变量在运行时被存放于栈中，不会出现在某个节中。.symtab节存放了符号表(符号表由汇编器构造)。

注意：静态局部变量不存放在栈中，而是会出现在符号表中。若同一目标文件中存在两个同名的静态局部变量，编译器会向汇编器输出两个不同名字的符号。

 

符号解析

当编译器遇到一个不是当前模块定义的符号时，会生成一个符号表条目，并交给链接器处理。链接器会在所有输入模块中寻找其定义，找不到时报错。

若出现多个目标文件定义相同名字的全局变量怎么办？

Linux系统的方法：编译器向汇编器输出全局变量对应的符号时，会标记是“强”符号(函数和已初始化的全局变量)还是“弱”符号(未初始化的全局变量)，注意，静态变量独属于本模块，没有多重定义的问题，无需标记。汇编器将此信息编码在符号表内，链接器在链接时根据以下规则进行处理：

1.不允许有多个同名的强符号

2.如果有一个强符号和多个弱符号同名，选强符号。

3.若多个弱符号同名，随机选一个。

给个例子：

此时，假设x的地址是0x601020,y的地址是0x601024,运行程序后，赋值x时会覆盖到y，导致发生错误。

 

静态链接

所有相关的函数被编译为独立的目标模块，并被打包成一个单独的文件后，此文件被称为静态库，可以用做链接器的输入，当链接器构造可执行文件时，只会复制静态库里被应用程序引用的目标模块，这么做比起将每个独立的目标模块单独输入到链接器，显然可以简化链接器输入时的步骤，当然，对运行时内存的改善无优化，对于具有引用了相同标准目标模块的程序，运行时每次都需从静态库中拷贝这些目标模块。在Linux中静态库以“存档”的形式(一组连接起来的可重定位目标文件的集合)存放于磁盘，文件名后缀是.a。

举个例子：  

左边是两个独立的目标模块，右边的main函数要调用它们，此时先为左边两个函数创建一个静态库：

随后编译和链接输入文件main.o和libvector.a：

注意顺序：链接器从左到右来扫描可重定位文件和存档文件，我的理解是，定义必须出现在引用后面。另外，库一般放在命令行的结尾。

比如上面的main2.o中调用了addvec和multvec，所以放前面，随后出现libvector.a。

 

重定位

 

链接器在符号解析完成后开始进行重定位：将相同类型的节合并，为新的节和其中定义的符号赋予新的运行时内存地址，而对于各个节中的符号引用，则会通过“重定位条目”来重定位。

重定位条目：当汇编器遇到最终位置未知的目标引用，会生成重定位条目，告诉链接器在合并成可执行文件时如何修改引用，它存放于.rel.text节中，已初始化数据的重定位条目存放于.rel.data节中。

上图为一个典型的重定位条目格式，offset是节偏移，symbol标识引用应该指向的符号，type标识如何修改引用，addend是有符号常数，用于对引用作偏移调整。引用的重定位有两种修改方式：R_X86_64_PC32和R_X86_64_32，前者代表以相对引用重定位，后者代表以绝对引用方式重定位。

举个详细的例子帮助理解：

上图是一个main函数的汇编代码，里面有定义一个全局变量array，也有引用一个外部函数，sum。

先来看全局符号sum，其重定位条目如下：

假设链接器已经确定运行时.text节的地址为0x4004d0，此时：

节偏移为r.offset=0xf，因此，sum引用的内存地址位于0x4004d0+0xf=0x4004df处，即汇编代码中的第6行，位于e8后面，注意0xe8是指令的操作码。

r.symbol代表sum定义处的运行时地址，假设为0x4004e8。

r.type = R_X86_64_PC32,代表此时为相对引用。

r.addend用作偏移调整，这里是-4，我个人的理解是这代表了sum引用的内存地址到下一条指令地址的偏差，比如这里sum引用的内存地址是0x4004df，PC要执行的下一条指令的地址为0x4004e3(汇编代码中第8行)

综上，可以这么理解：由重定位条目sum我们可以定位到需要修改的引用地址为0x4004df,由r.addend可以定位到下一条指令的地址0x4004df-(-4)=0x4004e3,这个地址与sum定义处的运行时地址相差0x4004e8-0x4004e3=0x5。因此重定位时，汇编代码第6行的指令会被改为：

注意，这里0x5被写成05 00 00 00，这说明这里的表示方法是“小端法”(高字节位放高地址，低字节位放低地址)

 实际运行时，执行到这条call指令时，PC值为0x4004e3(即下一条指令的地址)，call指令执行时，这里用PC的值和05 00 00 00决定跳转后的地址，步骤如下：

1.将PC压栈

2.PC+0x5 = 0x4004e8->PC

此时会跳转到sum定义处的地址。

 

再来看全局符号array,其重定位条目如下：

r.type=R_X86_64_32，说明这里用的是绝对引用。

对array的引用位于汇编代码第4行，这是一条mov指令，起始于0x4004d0+0x9=0x4004d9处，它有1字节的操作码0xbf。

r.offset=0xa，告诉链接器要修改位于0x4004d0+0xa=0x4004da处的array引用地址

假设已经确定array定义地址为0x601018，结合第三章知识点，个人理解如下：由于这里是一条mov指令，不像call指令一样，call指令执行时是根据下一条指令地址(存于PC)来决定当前call指令中的跳转值的，是相对跳转，而mov指令是数据传送指令，直接将数据存入寄存器，无需作相对跳转，因此相应的r.addend=0,也因此重定位时直接修改此指令中的数据值即可，以下是重定位后对应的汇编代码：

可执行目标文件

典型的可执行目标文件的结构图：

它与之前的可重定位目标文件类似，具体不再赘述。

上图是可执行目标文件的程序头部表，前两行对应代码段，flags r-x代表有读/执行权限，此段开始于0x400000处，总共占内存大小为0x69c个字节

数据段有读/写权限，开始于0x600df8处，总共占内存大小为0x230个字节，可以推出.data节始于0x600df8-0xdf8=0x600000处，目标文件中大小为0x228字节，为什么会比总共占内存小0x230-0x228=8个字节？因为.bss节的数据只是占位符，位于可重定位目标文件时不占空间，链接成可执行文件后会为其初始化，分配内存空间。

 

加载可执行目标文件

 运行可执行目标文件，是通过调用加载器来实现的，加载器会将程序复制到内存并运行。

上图是程序运行时的内存映像，具体不作解释，看书即可。