《深入理解计算机系统 2nd》读书笔记－－－－第7章 链接

链接

链接(linking)是将各种代码和数据部分收集起来并组合成为一个单一文件的过程，这个文件可被加载(或被拷贝)到存储并执行。链接可以执行于编译时(compile time)，也就是在源代码被翻译成机器代码时；也可以执行于加载时(load time)，也就是在程序被加载器(loader)加载到存储器并执行时；甚至执行于运行时(run time)，由应用程序来执行。

静态链接

Unix的静态链接器(static linker)ld，以一组可重位目标文件和命令行参数作为输入，生成一个完全链接的可以加载和运行的可执行目标文件作为输出。输入的可重定位目标文件由各种不同的代码和数据节(section)组成。指令在一个节中，初始化的全局变量在另一个节中，而未初始化的变量又在另外一个节中。

为了构造可执行文件，链接器必须完成两个主要任务：

1、符号解析(symbol resolution)。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刚好和一个符号定义联系起来。

2、重定位(relocation)。编译器和汇编器生成从地址0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位置联系起来，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位置，从而重定位这些节。

目标文件

目标文件有三种形式：

1、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。

2、可执行目标文件。包含二进制代码和数据，其形式可以被直接拷贝到存储器并执行。

3、共享目标文件。一种特殊类型的可重定位目标文件，可以在加载或者运行地被动态地加载到存储器并链接。

编译器和汇编器生成可重定位目标文件(包括共享目标文件)。链接器生成可执行目标文件。从技术上来说，一个目标模块(object module)就是一个字节序列，而一个目标文件(object file)就是一个存放在磁盘文件中的目标模块。

可重定位目标文件

一个典型的ELF可重定位目标文件的格式：

.text：已编译程序的机器代码。

.rodata：只读数据，比如printf语句中的格式串和开关语句的跳转表。

.data：已初始化的全局C变量。

.bss：未初始化的全局C变量。在目标文件中这个节不占据实际的空间，它仅仅是一个占位符。

.symtab：一个符号表，它存放在程序中定义和引用的函数和全局变量的信息。

.rel.text：一个.text节中位置的列表，当链接器把这个目标文件和其他文件结合时，需要修改这些位置。

.rel.data：被模块引用或定义的任何全局变量的重定位信息。

.debug：一个调试符号表，其条目是程序中定义的局部变量和类型定义，程序中定义和引用的全局变量，以及原始的C源文件。只有以-g选项调用编译驱动程序时才会得到这张表。

.line：原始C源程序中的行号和.text节中机器指令之间的映射。

.strtab：一个字符串表，其内容包括：.symtab和.debug节中的符号表，以及节头部中的节名字。字符串表就是以null结尾的字符串序列。

符号和符号表

每个可重定位目标模块m都有一个符号表，它包含m所定义和引用的符号的信息。在链接器的上下文中，有三种不同的符号：

1、由m定义并能被其他模块引用的全局符号。全局链接器符号对应于非静态的C函数以及被定义为不带C static属性的全局变量。

2、由其他模块定义并被模块m引用的全局符号。这些符号称为外部符号(external)，对应于定义在其他模块中的C函数和变量。

3、只被模块m定义和引用的本地符号。有的本地链接器符号对应于带static属性的C函数和全局变量。

符号解析

链接器解析符号引用的方法是将每个引用与它输入的可重定位目标文件的符号表中的一个确定的符号定义联系起来。

链接如何解析多重定义的全局符号

在编译时，编译器向汇编器输出每个全局符号，或者是强或者弱的符号，而汇编器会把这个信息隐含地编码在可重定位目标文件的符号表里。函数和已初始化的全局变量是强符号，未初始化的全局变量是弱符号。
根据强弱符号的定义，Unix链接器使用下面的规则来处理多重定义的符号（其它系统应该也适用的,I think，而且还要看编译器）：
规则1：不允许有多个强符号。
规则2：如果有一个强符号和多个弱符号，那么选择强符号。
规则3：如果有多个弱符号,那么从这些弱符号中任意选择一个。

与静态库链接

所有的编译系统都提供一种机制，将所有相关的目标模块打包成为一个单独的文件，称为静态库(static library)(Linux下是存档文件，Windows下是lib)，它可以用做链接器的输入。当链接器构造一个输出的可执行文件时，它只拷贝静态库里被应用程序引用的目标模块。

在Unxi系统中，静态库以一种称为存档(archive)的特殊文件格式存放在磁盘中。存档文件是一组连接起来的可重定位目标文件的集合，有一个头部用来描述每个成员目标文件的大小和位置。存档文件名由后缀.a标识。我们可以用AR工具创建静态库。

链接时加上-static参数告诉编译器驱动程序，链接器应该构建一个完全链接的可执行目标文件，它可以加载到存储器并执行，在加载时无需更进一步的链接。

链接器如何使用静态库来解析引用

在符号解析的阶段，链接器从左到右按照它们在编译器驱动程序命令行上出现的相同顺序来扫描可重定位目标文件和存档文件。(驱动程序自动将命令行中所有的.c文件翻译为.o文件。)在这次扫描中，链接器维持一个可重定位目标文件的集合E(这个集合中的文件会被合并起来形成可执行文件)，一个未解析的符号(即引用了但是尚未定义的符号)集合U，以及一个在前面输入文件中已定义的符号集合D。初始时U和D都是空的。

• 对于命令行上的每个输入文件f，链接器会判断f是一个目标文件还是一个存档文件。如果f是一个目标文件，那么链接器把f添加到E，修改U和D来反映f中的符号定义和引用，并继续下一个输入文件。
• 如果f是一个存档文件，那么链接器就尝试匹配U中未解析的符号和由存档文件成员定义的符号。如果某个存档文件成员m，定义了一个符号来解析U中的一个引用，那么就将m加到E中，并且链接器修改U和D来反映m中的符号定义和引用。对存档文件中所有的成员目标文件都反复进行这个过程，直到U和D都不再发生变化。在此时，任何不包含在E中的成员目标文件都简单地被丢弃，而链接器将继续处理下一个输入文件。
• 如果当链接器完成对命令行上输入文件的扫描后，U是非空的，那么链接器就会输出一个错误并终止。否则，它会合并和重定位E中的目标文件，从而构建输出的可执行文件。

因此命令行上的库和目标文件的顺序非常重要。在命令行中，如果定义一个符号的库出现在引用这个符号的目标文件之前，那么引用就不能解析，链接会失败。关于库的一般准则是将它们放在命令行的结尾。

如果各个库的成员是相互独立(也就是说没有成员引用另一个成员定义的符号)，那么这些库就可以按照任何顺序放置在命令行的结尾处。另一方面，如果库不是相互独立的，那么它们必须排序，使得对于每个被存档文件的成员外部引用的符号s，在命令行中至少有一个s的定义是在对s的引用之后的。

可执行目标文件

我们的C程序开始时是一组ASCII文本文件，已经被转化为一个二进制文件，且这个二进制文件包含加载程序到存储器并运行它所需的所有信息。

.init节定义了一个小函数，叫做_init，程序的初始化代码会调用它。因为可执行文件是完全链接的(已被重定位了)，所以它不再需要.rel节。

加载可执行目标文件

加载器将可执行目标文件中的执行代码和数据从磁盘拷贝到存储器中，然后通过跳转到程序的第一条指令或入口点(entry point)来运行该程序。这个将程序拷贝到存储器并运行的过程叫做加载(loading)。

Unix程序运行时存储器映像：

在32位Linux系统中，代码段总是从地址0x08048000处开始。数据段是在接下来的下一个4KB对齐的地址处。运行时堆在读/写段之后接下来的第一个4KB对齐的地址处，并通过调用malloc库往上增长。还有一个段是为共享库保留的。用户栈总是最大的合法用户地址开始，向下增长的(向低存储器地址方向增长)。从栈的上部开始的段是为操作系统驻留存储器的部分(也就是内核)的代码和数据保留的。

当加载器运行时，它创建如上图所示的存储器映像。在可执行文件中段头部表的指导下，加载器将可执行文件的相关内容拷贝到代码和数据段。接下来，加载器跳转到程序的入口点，也就是符号_start的地址。在_start地址处的启动代码(startup code)是在目标文件ctrl.o中定义的，对所有的C程序都是一样的。

/*每个C程序中启动例程crtl.o的伪代码*/
0x080480c0 <_start> : /*Entry point in .text*/
	call __libc_init_first /*Startup code in .text*/
	call _init			   /*Startup code in .init*/
	call atexit			  /*Startup code in .text*/
	call main			/*Application main routine*/
	call _exit			/*Returns control to OS*/
	/*Control never reaches here*/

加载器实际上如何工作的？

一个概述：Unix系统中的每个程序都运行在一个进程上下文中，有自己的虚拟地址空间。当外壳运行一个程序时，父外壳进程生成一个子进程，它是父进程的一个复制品。子进程通过execve系统调用启动加载器。加载器删除子进程现在的虚拟存储器段，并创建一组新的代码、数据、堆 和栈段。新的栈和堆段被初始化为零。通过将虚拟地址空间中在页映射到可执行文件的页大小的片(chunk)，新的代码和数据段被初始化为可执行文件的内容。最后，加载器跳转到_start地址，它最终会调用应用程序的main函数。

动态链接共享库

静态库有一些明显的缺点：首先，静态库在更新时，使用该库的程序需要与更新的库进行重新链接。其次，由于使用静态库的程序在链接时都会拷贝静态库里被应用程序引用的目标模块，像printf和scanf这样的函数的代码在运行时都会被复制到每个运行进程的文本段中，这造成了冗余，浪费了稀缺的存储器资源。

为了解决静态库的这些缺陷，共享库(share library)出现了。共享库是一个目标，在运行时，可以加载到任意的存储器地址，并和一个在存储器中的程序链接起来。这个过程称为动态链接(dynamic linking)，是由一个叫做动态链接器(dynamic linker)的程序来执行的。

共享库也称为共享目标(share object)，在Unix系统中通常用.so后缀来表示。微软的操作系统大量地利用了共享库，它们称为DLL(动态链接库)。

共享库是以两种不同的方式来“共享”的(在Windows中分别称为“隐式链接”和“显示链接”)。首先，在任何给定的文件系统中，对于一个库只有一个.so文件。所有引用该库的可执行目标文件共享这个.so文件中的代码和数据，而不是像静态库的内容那样被拷贝和嵌入引用它们的可执行的文件中。基准，在存储器中，一个共享库的.text节 一个副本可以被不同的正在运行的进程共享。

其中一种共享方式就是隐式链接，其基本的思路是当创建可执行文件时，静态执行一些链接，然后在程序加载时，动态完成链接过程。

PS：这种使用方式相对于静态链接库来说也有缺点。因为使用动态链接库的程序在创建可执行文件时并非完全链接，因此在程序加载时，需要进一步完成链接过程。这样会使可执行文件的启动下降。

关于这个可以参考《Windows核心编程 5th》 P514 上面的这样一段话：

操作系统的加载程序会执行下面的步骤：
加载程序先为新的进程创建一个虚拟地址空间，并将可执行模块映射到新进程的地址空间中。加载程序接着解析可执行模块的导入段。对导入段中列出的每个DLL，加载程序会在用户的系统中该DLL模块进行定位，并将该DLL映射到进程的地址空间中。注意，由于DLL模块可以从其他DLL模块中导入函数和变量，因此DLL模块可能有自己的导入段并需要并它所需DLL模块映射到进程的地址空间中。我们可以看到，初始化一个进程可能会耗费很长的时间。

还有这篇Blog也提到了这个问题：关于动态链接与静态链接

所以，关于某公司的笔试题

如下关于编译链接的说法错误的是（）
A、编译优化会使得编译速度变慢
B、预编译头文件可以优化程序的性能
C、静态链接会使得可执行文件偏大
D、动态链接库会使进程启动速度偏慢

我觉得不应该选D，而应该选B。虽然网上大部人都选了D。关于B选项，引用Jerry19880126的话就是“有B的表述不严谨了，预编译头只能优化编译的性能，但不能优化程序的性能。”

从应用程序中加载和链接共享库

另外一种共享方式就是“显式链接”(呵呵，在Window中的说法)

前面已经讨论了在应用程序执行之前，即应用程序被加载时，动态链接器加载和链接共享库的情景。然而，应用程序还可能在它运行时要求动态链接器加载和链接任意共享库，而无需在编译时链接那些库到应用中。

其中几个关键函数：

#include
//返回：若成功则为指向句柄的指针，若出错则为NULL
void *dlopen(const char *filename,int flag) ;

//返回：若成功则为指向符号的指针，若出错则为NULL	
void *dlsym(void *handle,char *symbol) ;

//返回：若成功则为0，若出错则为－1
int dlclose(void *handle) ;

//返回：如果前面对dlopen、dlsym或dlclose的调用失败，则为错误消息，如果前面的调用成功，则为NULL
const char *dlerror(void) ;

处理目标文件的工具

• AR：创建静态库，插入、删除、列出和提取成员。
• STRINGS：列出一个目标文件中所有可打印的字符串。
• STRIP：从目标文件中删除符号的信息。
• NM：列出一个目标文件的符号表中定义的符号。
• SIZE：目标文件中节的名字和大小。
• READELF：显示一个目标文件的完整结构，包括ELF头中的编码的所有信息。包含SIZE和NM的功能。
• OBJDUMP：所有二进制工具之母，能够显示一个目标文件中所有的信息。它最大的作用是反汇编.text节中的二进制指令。
• LDD：列出一个可执行文件在运行时所需要的共享库。