C++（基础）———— 编译链接过程

我觉得在学习编译链接过程之前有必要了解一下虚拟地址空间。

虚拟地址空间

1、什么是虚拟地址空间？

 虚拟地址空间其实就是内存映射出来的存放地址的集合，它不是真实存在的，但又是可见的。

2、32位虚拟地址空间是多大？为啥？

 大小：4G     

 32位即就是32位地址总线（32条），一个位的地址对应一个字节的内存大小；32位地址总线所保存的地址( 地址都是用16进制表示)为

 0x 0000 0000  --》 0x ffff ffff。但是为了更清楚的解释问题，地址用二进制表述为   0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000  到

 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 ，由此可见一个虚拟地址空间保存的地址是2^32字节，所以它的地址空间的大小是4G。

3、虚拟地址空间图示如下：

用32位系统来说，每个进程都会产生一个4G大小的虚拟地址空间。

编译链接大致过程

4、运行main.c代码文件
代码如下：

 #include 
 #include 
 
 int data1 = 10;
 int data2 = 0;
 int data3;

 static data4 = 20;
 static data5 = 0;
 static data6;

 int main()
 {
     int a = 30;
     int b = 0;
     int c;
     
     printf("a= %d b= %d\n",a,b);
     return 0;
 }
                          

代码 --> 运行 (过程如下)：

        代码 -->               编译 -->                  链接-->             运行

文件类型： .c                   .o                       .out

                              二进制可重定位文件       二进制可执行文件

5、编译过程：预编译 --> 编译 --> 汇编

预编译(生成 “.i” 文件)

  操作命令：gcc -E main.c -o main.i

  内部处理：处理宏定义    处理 # 开头的预处理指令   删除所有注释

编译（生成 “.s” 文件）：进行词法分析、语法分析、语义分析及优化后产生相应的汇编代码文件

  操作命令：gcc –S main.i –o main.s

  内部处理：生成符号   生成汇编指令

汇编（生成 “.o” 文件）：将汇编代码编程机器可执行的指令

  操作命令：gcc –c main.s –o main.o

  内部操作：将所有的汇编代码翻译成机器可识别的二进制指令

6、连接过程（这里的链接暂不考虑动态库和静态库的链接）：将所有相关文件中的各个段，重新组合链接成新文件

  操作命令：gcc main.o –o main
  内部处理：合并段表   调整段偏移   合并符号表   完成符号的重定位

预编译(生成 “.i” 文件)， 操作命令：gcc -E main.c -o main.i，生成的 .i 文件如下图
编译（生成 “.s” 文件），操作命令：gcc –c main.s –o main.o，生成的 .s文件如下图

汇编 （生成 “.o” 文件），操作命令：gcc –c main.s –o main.o，生成的 .o 文件如下图
链接，操作命令：gcc main.o –o main，链接后生成的文件如下图

ELF文件

7、ELF文件的基本概念：

产生： 链接器链接后生成的最终文件为ELF格式可执行文件，一个ELF可执行文件通常被链接为不同的段，常见的段譬如.text、.data、.rodata、.bss等段。
内容：可执行文件、可重定位文件(.o)、共享目标文件(.so)、核心转储文件都是以elf文件格式存储的。
组成：文件头、段表(section)、程序头。

8、ELF文件的段：

一个典型的ELF文件包含下面几个段：

.text：已编译程序的指令代码段。

.rodata：ro代表read only，即只读数据（譬如常数const）。

.data：已初始化的C程序全局变量和静态局部变量。

.bss：未初始化的C程序全局变量和静态局部变量。

.debug：调试符号表，调试器用此段的信息帮助调试。

ELF文件格式如下图所示，位于ELF Header和Section Header Table之间的都是段（Section）。

9、查看ELF文件：

file 命令：查看文件头部信息
readelf 命令：读取ELF文件中信息
          -h：读取ELF文件头
          -S：读取段表

查看头部信息：
查看权限：
读取ELF文件头：

从上图可得：
Entry point addres:  程序的虚拟地址入口，因为这不是可执行的程序，故而为0 。
Start of program ... :  与上一行同理，这个程序没有program headers 。
Start of section... :   sections头开始出，这里208是十进制，表示从地址偏移0xD0处开始。
Size of this header :   ELF文件头的字节数。
Size of program headers:  不是可执行程序，故为0 。
Size of section headers:   section header的大小，这里每个section头大小为40个字节。
Number ... :  一共有9个section头 。

读取段表：

从上图中可得：
1、.data 大小为00000c (12), 12 / 4 = 3, 无误。
2、.bss  大小为000014 （20），20 / 4 = 5 ，无误。

符号、强符号和弱符号 ：

符号：所有数据都会产生符号，指令只有函数名会产生符号。
强符号：初始化了的非静态数据。
弱符号：没有初始化的非静态数据。
弱符号在存储过程中不占 .bss 空间，因为其被强符号所替换。所以有时候 .bss 中少 的数据是因为强符号替换弱符号造成的。

链接详解

链接过程：

1、合并段表：将两个二进制可重定位文件中的段信息整合放到一个文件中。
2、调整段偏移：段表经过合并之后大小发生变化，所以地址会进行适当的偏移。
3、合并符号表：将多个二进制可重定位文件中的符号整合到一个文件中。
4、完成符号的重定位：链接器把每个符号定义与一个虚拟地址联系起来，然后修改所有对这些符号的引用，然后通过虚拟地址使得它们指向相应的存储位置。

图示如下：
按照属性划分不同的段放在同一个页，运行时按照LOAD页信息将段按照页读入到虚拟地址空间
图示如下：