在之前我们学习了嵌入式开发中的相关知识点，今天我们来看看链接器。我们在平时的开发中，源文件被编译后生成目标文件（.o 文件） 时，这些目标文件时如何存在于最终的可执行程序呢？那么此时就需要链接器来出场了。

        我们首先来看看链接器的意义：它的主要作用是把各个模块之间相互引用的部分进行一个处理，使每个模块之间能够进行正确的衔接，进而使得最终的可执行文件能够正常运行。示例图如下

        其实我们在平时生成的目标文件中，具备以下几个特征：

            a> 各个段没有具体的起始地址，只有段大小信息；

            b> 各个标识符没有实际地址，只有段中的相对地址；

            c> 段和标识符的实际地址需要链接器具体确定。

        那么链接器的主要工作是干嘛的呢？主要做的工作是将目标文件和库文件整合为最终的可执行程序。体现在 a> 合并各个目标文件中的段（.text, .data, .bss）；b> 确定各个段和段中标识符的最终地址（也就是我们所说的重定位）。我们下来以代码为例来进行分析。

func.c 源码

#include 

int* g_pointer;

void func()
{
    g_pointer = (int*)"D.T.Software";

    return;
}


test.c 源码

#include 

int g_global = 0;
int g_test = 1;

extern int* g_pointer;
extern void func();

int main(int argc, char *argv[])
{
    printf("&g_global = %p\n", &g_global);
    printf("&g_test = %p\n", &g_test);
    printf("&g_pointer = %p\n", &g_pointer);
    printf("g_pointer = %p\n", g_pointer);
    printf("&func = %p\n", &func);
    printf("&main = %p\n", &main);
    
    func();
    
    return 0;
}

        我们来编译成目标文件，看看它们生成的目标文件的内容

        我们看到在 func.o 中有一个 func 函数是位于 Test 段的，起始位置是 0 处，还有个 g_pointer，但是它的类型是未知的，只能看出它的大小为 4；在 test.o 中，地址都是起始处的地址。那么我们在平时的程序编写中，都是有地址的，这个地址究竟是谁分配的呢？幕后主谋便是链接器了，在平时的编译中，它是编译器自动进行编译链接的。因此，在现在我们进行手动编译后，必须得手动链接才能生成正确的可执行程序。下来我们来进行链接工作

        我们看到在进行最后的链接后，它们的地址都被正确的分配了。

        下来我们来看一个有趣的问题，main() 函数是第一个被调用执行的函数吗？在刚接触编程的时候，老师就告诉我们，main() 函数是 C 程序的入口，都是以它为其实地址来进行整个程序的运行的。那么问这个问题是否是个无聊的问题呢？这是一家公司的面试题。我们就来看看一些深层次的东西（我们是在 gcc 环境下，因此下面全部是基于 gcc 环境来进行说明的）。

        在默认情况下：1、程序加载后，_start() 是第一个被调用执行的函数；2、_start() 函数准备好参数后立即调用 __libc_start_main() 函数；3、__libc_start_main() 初始化运行环境后调用 main() 函数执行。注：_start() 函数的入口地址就是代码段（.text）的起始地址！我们以代码为例来进行分析说明

program.c 源码

#include 
#include 

int main()
{
    printf("D.T.Software\n");
    
    exit(0);
}

        我们来看看编译生成的最终的目标文件以及反汇编生成的最终代码

        我们打开 result.txt 文件，来查找下 main 函数的入口地址

        我们看到 main 函数的入口地址是 804841d，我们再次在此文件中查找这个入口地址是在哪里被调用的

        我们看到是在 _start 函数中调用的 main 函数的入口地址。由此可见，我们前面分析的全部是正确的。我们接着向下看，我们在 result.txt 文件中，接着向前看。在最开始的地方调用的是 __libc_start_main 函数，下来我们继续来讲讲这个函数的作用：1、调用 __libc_csu_fini() 函数（完成必要的初始化操作）；2、启动程序的第一个线程（主线程），main() 为线程入口；3、注册 __libc_csu_init() 函数（程序运行终止时被调用）。我们看到在 _start() 函数开始之后，先后 push 了两个地址：0x80484b0 和 0x8048440，我们来搜搜这两个地址

        我们看到分别调用了 __libc_csu_fini() 和 __libc_csu_init() 函数，它们的作用我们也在上面刚刚说过了，利用这两个函数来完成 __libc_start_main() 函数的必要操作。最后便是 main() 函数的启动了。我们再次来梳理下整个启动的流程，如下

        那么我们看到程序是由 _start() 函数开始执行的，那么我们是不是可以自定义入口函数呢？主要保证在它内部调用的地址是我们指定的自定义函数就行。这种操作是存在的，gcc 提供 -e 选项用于在链接时指定入口函数，但是注意的是在自定义入口函数时必须要使用 -nostartfiles 选项进行链接。示例代码如下

program.c 源码

#include 
#include 

int program()    // Entry Function
{
    printf("D.T.Software\n");
    
    exit(0);
}

        我们来看看编译。链接，运行的结果

        我们看到在第一次加 -e 选项后，没有加 -nostartfiles 选项便导致链接错误了。-e 后面的便是我们自己指定的入口函数，其实质上是将入口函数 _start() 替换成我们自己指定的函数。那么我们来思考下，链接器到底是根据什么原则来完成具体的工作呢？为何如此神奇，可以让我们自己指定入口地址呢？答案便是链接脚本了。下来我们来看看链接脚本到底是啥玩意。

        链接脚本，简单来说，它是用于描述链接器处理目标文件和库文件的方式。它的主要作用有以下几点：

        a> 合并各个目标文件中的段；

        b> 重定位各个段的起始地址；

        c> 重定位各个符号的最终地址。

        下面是一些重要的链接选项

        那么链接脚本的本质是什么呢？它是引导链接器执行的一条规则。在整个编译阶段中所处的地位关系如下

        那么链接脚本长的什么样子呢？是不是很难认识呢？起始并不是。对 Linux 底层熟悉的同学应该见过一些链接脚本，就是后缀名为 .lds 的文件。它的大致结构如下

        在编写链接脚本的时候，有几点注意事项我们得注意下：1、各个段的链接地址必须符合具体平台的规范；2、链接脚本中能够直接定义标识符并指定存储地址；3、链接脚本中能够指定源代码中标识符的存储地址；在 Linux 中，进程代码段（.text）的合法起始地址为[0x08048000, 0x08049000]。下来我们来写个链接脚本体验下


test.c 源码

#include 

int s1;
extern int s2;

int main()
{
    printf("&s1 = %p\n", &s1);
    printf("&s2 = %p\n", &s2);
    
    return 0;
}


test.lds 源码

SECTIONS
{
    .text 0x08048400:
    {
        *(.text)
    }
    
    . = 0x01000000;
    
    s1 = .;
    
    . += 4;
    
    s2 = .;
    
    .data 0x0804a800:
    {
        *(.data)
    }
    
    .bss :
    {
        *(.bss)
    }
}

        我们来编译看看结果

        我们看到 s1 的地址是我们指定的 0x01000000，而 s2 则是我们进行 + 操作之后的地址。在默认情况下，链接器认为程序应该加载进入同一个存储空间；但是在嵌入式系统中，如果存在多个存储空间，必须使用 MEMORY 进行存储区域定义。因为在嵌入式系统中，内存是很宝贵的。我们一般都是将 RAM 映射到 flash 中进行运行（通过 MMU）。示例代码如下

        其中 MEMORY 命令的属性定义如下

        还有一种就是 ENTRY 命令来指定入口点。我们来进行代码分析说明


test.c 源码

#include 
#include 

int program()
{
    printf("D.T.Software\n");
    
    exit(0);
}


test.lds 源码

ENTRY(program)

SECTIONS
{
    .text 0x08048400:
    {
        *(.text)
    }
}

        我们在链接脚本里指定 program 为程序的入口点，我们来看看程序运行的结果

        我们看到已经成功运行了。我们下来来看看链接信息

        我们看到 .text 段的起始地址便是我们指定的地址，我们用 nm 来查看下信息可执行文件的信息，这个地址也是 program 函数的入口地址。那么我们再来看看 gcc 默认的链接地址什么呢？命令是  ld --verbose ，我们将它的结果保存到 default.lds 中，我们来查看下它的信息

        我们看到里面记录了很多的信息，其中默认的入口函数是 _start，段的起始地址是 0x08048000，剩下的信息我们就不分析了。通过对链接器的学习，总结如下：