链接

• 基本概念
  • 分类：静态链接、动态链接。
  • 工作步骤：
    • 符号解析：每个目标文件都带有符号表，链接器将每个符号引用与所有目标文件中恰好一个符号定义关联。
    • 重定位：把所有目标文件合并，并更新符号引用的位置。
• ELF 文件
  • 分类
    • 可重定位目标文件：.o，与一个 .c 对应。
    • 可执行目标文件：如 a.out。
    • 共享目标文件：.so，在加载或运行时动态链接。
  • 节
    • .text：存放代码，可执行，不可写。
    • .rodata：只读数据，如字符串常量、全局常量。
    • .data：数据段，其中的变量为全局变量或静态变量，且被初始化为非 0 值。
    • .bss：数据段，与 .data 类似，但是变量未初始化或以 0 初始化。
      • 如果 COMMON 存在，则未初始化全局变量优先存放在其中。
    • COMMON：未初始化的全局变量。
    • .symtab：符号表，链接时使用。
    • .rel.text：.text 节的重定位信息。
    • .rel.data：.data 节的重定位信息。
    • .debug：调试符号。
• 链接器符号
  • 分类
    • 全局符号：当前模块定义、其他模块可引用的符号。
    • 外部符号：当前模块引用、其他模块定义的符号。
    • 局部符号：只在当前模块可用的符号，用 static 修饰，不是局部变量。
  • 符号解析
    • 会成为符号的 C 语言元素：
      • 函数的声明、定义。
      • 全局/静态变量的声明、定义。
      • 函数内静态变量的声明、定义。
    • 符号强弱：
      • 强符号：初始化过的全局符号，函数定义一定是强符号。
        • 根据是函数还是变量、初始化的值，符号进入 .text、.data 或 .bss。
      • 弱符号：未初始化的全局符号。在编译 .c 为 .o 后，这些符号进入 COMMON。
    • 解析规则：
      • 只有一个强符号可以存在，多个强符号互相冲突。
      • 强符号比同名的多个弱符号都优先，即 COMMON 中会被覆盖。
      • 无强符号时，同名的多个弱符号随机选一个。
      • 选择符号不考虑 C 语言的类型，只与强弱、随机性相关。
  • 重定位
    • 重定位条目

      • typedef struct {
            long offset;
            long type:32, symbol:32;
            long addend;
        } Elf64_Rela;
      • 每一处符号引用都会被转换为 Elf64_Rela，供链接器做重定位处理。
      • offset 表示此引用相对于段起始地址的偏移量。
      • type 表示重定位的类型：
        • R_X86_64_32：32 位绝对地址引用。
        • R_X86_64_PC32：32 位 PC 相对地址引用，偏移量是目标相对于指令末端地址。
      • symbol 表示被引用的符号在符号表中的索引。
      • addend 与指令长度相关，用于处理计算指令末端。
    • 32 位绝对地址引用
      • 此时一定有 addend == 0。
      • 重定位结果 refptr = ADDR(symbol) + addend = ADDR(symbol)。
    • 32 位 PC 相对地址引用
      • 首先计算符号引用本身的位置 refaddr = ADDR(.text) + offset。
      • 再计算重定位结果 refptr = ADDR(symbol) + addend - refaddr = ADDR(symbol) - (refaddr - addend)。
      • refaddr - addend 即当前指令的末端的地址。
• 加载目标文件
  • 静态链接
    • 静态库为 lib<name>.a。
    • 编译时 gcc 命令用 -l<name> 完成链接。
    • gcc 命令需要注意顺序，符号解析过程只按照命令行顺序。
      • 每链接一个目标文件或静态库，则尝试用其中的符号解析现有的未定义符号，但符号不会用于后续的解析。
      • 所有文件都处理后，若还有未定义符号，则报错。
      • 所以要把被依赖的库文件放在依赖的目标后面链接。
  • 加载时动态链接
    • 编译时在 gcc 命令参数中添加动态库，对动态库的引用被加入可执行文件。
    • 运行可执行文件时，在加载阶段由动态链接器加载所有动态库。
    • 动态链接器一般为 ld-linux.so 或各种变体。
  • 运行时动态链接
    • 不需要在编译时引用动态库，而是在代码中用 dlopen() 动态加载动态库。
    • 只有在执行到需要的时候才会按需加载。