文章目录
  1. 1. 前言
  2. 2. 链接的基本概念
  3. 3. 链接的意义
  4. 4. 为什么要学习链接的知识
  5. 5. 简单的链接过程
  6. 6. 目标文件
    1. 6.1. 可重定位目标文件
    2. 6.2. 可执行目标文件

前言

我们知道,开发程序的基本流程是:设计-代码编写-编译-链接-执行

每一个步骤展开都是一个很大的课题,链接是一个被人忽略的课题,因为它并不是很复杂,相对于编译来说它还是比较简单的,但是并不代表它不重要。
现在编译链接的环节基本上由IDE帮助我们完成了,于是我们很少关注编译链接。虽然说不懂编译链接对开发程序并没有很大影响,但是如果要成为大牛,计算机底层的知识还是要掌握的。
编译的知识很多,不是几篇文章能说完的,推荐看《编译原理》。

这篇文章以及几篇相关的文章将参考《深入理解计算机系统》这本书,对链接作一些介绍。

链接的基本概念

链接(linking)就是将不同部分的代码和数据收集和组合成为一个单一文件的过程,这个文件可被加载或拷贝到内存并执行。

简单来说,就是把程序用到的所有源文件的目标文件合成一个可执行目标文件,是一个“多合一”的过程。

链接的执行时机包括:

  • 编译时:源代码被翻译为机器码的时候。
  • 加载时:程序被加载器加载到内存并执行的时候。
  • 运行时:由应用程序执行。

在早期计算机系统中,链接是手动执行的。在现代计算机系统中,链接是由链接器自动执行的。

链接的意义

链接器在软件开发中扮演了关键的角色,它使得分离编译成为可能。我们不用将一个大小的应用程序组织成一个巨大的源文件,而是可以把它分解成为更小的,更好管理的模块,可以独立的修改和编译这些模块,最终由链接器链接成为一个可执行文件。

为什么要学习链接的知识

链接通常是由链接器处理的,不需要我们插手。但是这是在没有错误产生的情况下,一旦错误产生,不理解链接的工作过程和知识,我们就无法排除错误。以下列出学习链接的几个理由:

  • 理解链接器将帮助你构造大型程序。构造大型程序的程序员经常会遇到由于缺少模块,库和不兼容库版本引起的链接器错误。除非你理解链接器是如何解析引用,什么是库,以及链接器是如何使用库来解析引用的,否则你无处着手处理错误。
  • 理解链接器将帮助你避免一些危险的编程错误。默认情况下,乱用全局变量在链接时是不会产生警告的,这样的错误难以调试。理解链接器将让你知道原因,如何避免。
  • 理解链接将帮助你理解语言的作用域规则是如何实现的
  • 理解链接将帮助你理解其他重要的系统概念
  • 理解链接将使你能够开发共享库

简单的链接过程

来看一个简单的静态链接过程,对链接有一个感性的认识。

static linking

源代码经过编译器翻译为汇编语言文件,再经过汇编器翻译为可重定向目标文件,最后由链接器链接为可执行目标文件。
(ccl:C编译器, as:汇编器, ld:链接器)

为了创建可执行文件,链接器要完成两个任务:

  • 符号解析。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和一个符号定义联系起来。
  • 重定位。编译器和汇编器生产从地址零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地址联系起来,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地址,从而重定位这些节。

目标文件

  • 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。
  • 可执行目标文件。包含二进制代码和数据,其形式可以直接被拷贝到内存并执行。
  • 共享目标文件。一种特殊类型的可重定位目标文件,可以在加载或运行时,被动态加载到存储器并链接。

可重定位目标文件

典型的ELF可重定位目标文件

  • ELF header:前16个字节描述了字的大小和生产该文件系统的字节顺序,剩下的包含帮助链接器解析和解释目标文件的信息。
  • .text:已编译程序的机器代码
  • .rodata:只读数据
  • .data:已初始化的全局C变量
  • .bss:未初始化的全局C变量,不占空间
  • .symtab:符号表,存放程序中被定义和引用的函数和全局变量的信息。
  • .rel.text:一个.text节位置列表,保存跟其他文件链接之后需要修改的项
  • .rel.data:记录被模块定义或引用的全局变量的重定位信息
  • .debug:调试符号表
  • .line:源代码行号和.text节中机器码的映射,用于调试.
  • .strtab:一个字符串表包含.symtab和.debug的符号表还有其节头部名.

可执行目标文件

典型的ELF可执行目标文件

从上图可以看出,可执行目标文件被分为三个部分:

  • 代码段:只读内存段
  • 数据段:可读写内存段
  • 符号表和调试信息:这些数据不会在执行时不会被加载到内存中.
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  1. 1. 前言
  2. 2. 链接的基本概念
  3. 3. 链接的意义
  4. 4. 为什么要学习链接的知识
  5. 5. 简单的链接过程
  6. 6. 目标文件
    1. 6.1. 可重定位目标文件
    2. 6.2. 可执行目标文件