符号——链接的粘合剂
链接（Linking）就是通过符号将各个模块组合成一个独立的程序的过程。
- 链接的主要内容就是把各个模块之间的相互引用部分处理好，使得各个模块能够正确地衔接。
- 链接器所做的主要工作跟前面提到的“人工调整地址”本质上没有什么两样，只不过现代的高级语言拥有诸多的特性，使得编译器和链接器更为复杂，功能更为强大，但从原理上来讲，无非是找到符号的地址，或者把指令中使用到的地址加以修正。这个过程称为符号决议（Symbol Resolution）或者重定位（Relocation）。
对于简单的C语言程序，链接过程如下图所示。
- 每个模块的源文件（.c 和 .h）先被编译成目标文件，
- 再和系统库一起链接成可执行文件。
库（Library）其实是一组目标文件的包，是将一些最常用的代码编译成目标文件后打包存放。
系统库这个概念比较模糊，专业一点应该叫做运行时库（Runtime Library）。“运行时”就是程序运行期间，“运行时库”包含了程序运行期间所需要的基本函数，是程序运行不可或缺的，例如输入输出函数 printf()、scanf()，内存管理函数 malloc()、free() 等。
链接过程并没有想象中的复杂，它还是一个比较容易理解的概念。
假设一个程序有两个模块 main.c 和 module.c，我们在 module.c 中定义了函数 func()，并在 main.c 中进行了多次调用，当所有模块被编译成一个可执行文件后，每一处对 func() 函数的调用都会被替换为一个绝对地址。但由于每个模块都是单独编译的，编译器在处理 main.c 时并不知道 func() 的地址，所以需要把这些调用 func() 的指令的目标地址搁置，等到最后链接的时候再由链接器将这些地址修正。
- 如果没有链接器，我们必须手工修正 func() 的地址。当 module.c 被修改并重新编译时，func() 的地址极有可能改变，那么在 main.c 中所有使用到 func() 函数的地方，都要全部重新调整地址。这些繁琐的工作将成为程序员的噩梦。
- 有了链接器，我们可以直接调用其他模块中的函数而无需知道它们的地址，因为在链接的时候，链接器会根据符号 func 自动去 module.c 模块查找 func 的地址，然后将 main.c 模块中所有使用到 func 的指令重新修正，让它们的目标地址成为真正的 func() 函数的地址。
这种
- 在程序运行之前确定符号地址的过程叫做静态链接（Static Linking）；
- 如果需要等到程序运行期间再确定符号地址，就叫做动态链接（Dynamic Linking）。Windows 下的 .dll 或者 Linux 下的 .so 必须要嵌入到可执行程序、作为可执行程序的一部分运行，它们所包含的符号的地址就是在程序运行期间确定的，所以称为动态链接库（Dynamic Linking Library）。
变量和函数一样，都是符号，都需要确定它的地址。例如在 a.c 中有一个 int 类型的全局变量 var，现在需要在 b.c 中对它赋值 42，对应的C语言代码是：
var = 42;
对应的汇编代码为：
mov 0x2a, var
mov 用来将一份数据移动到一个存储位置，这里表示将 0x2a 移动到 var 符号所代表的位置，也就是对 var 变量赋值。
当被编译成目标文件后，得到如下的机器指令：
c705 00000000 0000002a
由于在编译时不知道变量 var 的地址，编译器将这条 mov 指令的目标地址设置为 0，等到将目标文件 a.o 和 b.o 链接起来的时候，再由链接器对其进行修正。
假设生成可执行文件后变量 var 的地址为 0x1100，那么上面的机器指令就变为：
c705 00001100 0000002a
这种地址修正的过程就是前面提到的重定位，每个需要被修正的地方叫做一个重定位入口（Relocation Entry）。重定位所做的工作就是给程序中每个这样的绝对地址引用的位置“打补丁”，使它们指向正确的地址。
符号的概念
函数和变量在本质上是一样的，都是地址的助记符，在链接过程中，它们被称为符号（Symbol）。链接器的一个重要任务就是找到符号的地址，并对每个重定位入口进行修正。
我们可以将符号看做是链接中的粘合剂，整个链接过程正是基于符号才能正确完成。
在《目标文件里面有什么，它是如何组织的》一节中讲到，目标文件被分成了多个部分，其中有一个叫做符号表（Symbol Value），它的段名是.symtab。符号表记录了当前目标文件用到的所有符号，包括：
- 全局符号，也就是全局函数和全局变量，它们可以被其他目标文件引用。
- 外部符号（External Symbol），也就是在当前文件中使用到、却没有在当前文件中定义的全局符号。
- 局部符号，也就是局部变量。它们只在函数内部可见，对链接过程没有作用，所以链接器往往也忽略它们。
- 段名，这种符号往往由编译器产生，它的值就是该段的起始地址，比如.text、.data等。
对链接来说，最值得关注的是全局符号，也就是上面的第一类和第二类，其它符号都是次要的。
所有的符号都保存在符号表.symtab中，它一个结构体数组，每个数组元素都包含了一个符号的信息，包括符号名、符号在段中的偏移、符号大小（符号所占用的字节数）、符号类型等。
确切地说，真正的符号名字是保存在字符串表.strtab中的，符号表仅仅保存了当前符号在字符串表中的偏移。
符号决议（Symbol Resolution）
- 当要进行链接时，链接器首先扫描所有的目标文件，获得各个段的长度、属性、位置等信息，并将目标文件中的所有（符号表中的）符号收集起来，统一放到一个全局符号表。在这一步中，链接器会将目标文件中的各个段合并到可执行文件，并计算出合并后的各个段的长度、位置、虚拟地址等。
- 在目标文件的符号表中，保存了各个符号在段内的偏移，生成可执行文件后，原来各个段（Section）起始位置的虚拟地址就确定了下来，这样，使用起始地址加上偏移量就能够得到符号的地址（在进程中的虚拟地址）。这种计算符号地址的过程被称为符号决议（Symbol Resolution）。
- 重定位表.rel.text和.rel.data中保存了需要重定位的全局符号以及重定位入口，完成了符号决议，链接器会根据重定位表调整代码中的地址，使它指向正确的内存位置。
至此，可执行文件就生成了，链接器完成了它的使命。
全局变量和局部变量
在《C语言和内存》中的《Linux下C语言程序的内存布局（内存模型）》一节讲到，当程序被加载到内存后，全局变量要在数据区（全局数据区）分配内存，局部变量要在栈上分配内存。
- 全局数据区数据区在程序运行期间一直存在，全局变量的位置不会改变，地址也是固定的，所以在链接时就能够计算出全局变量的地址。
- 而栈区内存会随着函数的调用不断被分配和释放，局部变量的地址不能预先计算，必须等到发生函数调用时才能确定，所以链接过程会忽略局部变量。
关于局部变量的定位，在《一个函数在栈上到底是怎样的》中已经进行了讲解，就是 ebp 加上偏移量，这在编译阶段就能给出计算公式（一条简单的语句），程序运行后，只要执行这条语句，就能够得到局部变量的地址。
总结起来，链接的一项重要任务就是确定函数和全局变量的地址，并对每一个重定位入口进行修正。
