链接、装载、库

目标文件

Linux系统的目标文件格式都遵循ELF格式，目标文件一共分为四类

ELF文件类型	文件类型
可重定位文件	Linux的.o
可执行文件	a.out
共享目标文件	Linux的 .so
核心转储文件	coredump文件

目标文件有什么

目标文件主要分为两个部分：代码段和数据段，这样划分的理由有3点

1. 权限管理：代码段只读，可执行；数据段，可读可写，可执行
2. 缓存友好：由于程序局部性原理，加快运行速度
3. 节省空间，主要是代码段，在动态链接的情况下可以重复利用

代码段主要结构

1. .text：代码指令
2. .init：C++中main函数之前构造函数
3. .fini：C++中main函数之后析构函数
4. __libc_atexit：用户注册的退出函数
5. .rodata：const变量，字符串常量，虚表，type_info

数据段主要结构

1. .data：初始化数据段
2. .bss：未初始化数据段(不占据磁盘空间)
3. .tdata：线程局部存储初始化数据段
4. .tbss：线程局部存储未初始化数据段（不占据磁盘空间）
5. .got：全局偏移量表，用户动态链接生成地址无关代码
6. .plt：实现动态链接的延迟绑定

其他段

这些段用于静态链接，动态链接或者保存一些调试信息

1. 静态链接：字符串表，符号表，重定位表
2. 动态链接：.dynamic，动态字符串表，动态符号表，动态重定位表
3. 调试信息：.debug，.line

静态链接

静态库是什么

静态库是一系列.o文件压缩打包在一起，没有对.o文件的结构作任何改变。

静态链接过程

1. 地址和空间分配
2. 符号决议
3. 重定位

地址和空间分配

静态链接中地址和空间分配有两层含义，一是分配磁盘存储空间，二是分配加载后的虚拟地址空间。.bss段需要分配磁盘存储空间

1. 扫描各个输入目标文件，获取各个段的长度
2. 将相似段合并到一个目标文件
3. 将输入目标文件的符号表合并，生成全局符号表

符号决议和重定位

符号决议

• 强符号和弱符号：初始化全局变量和函数是强符号，未初始化全局变量是弱符号（未初始化全局变量生成.o文件的时候并没有放入.bss，而是符号决议后，有了固定大小才放入.bss）
• 强引用和弱引用：对于未定义的强引用，编译器直接报错；未定义的弱引用，编译器生成一个默认值(一般为空值)

符号决议有3条规则：

1. 多个强符号：报错重复定义
2. 一个强符号多个弱符号：选择强符号
3. 多个弱符号：选择占用空间最大的弱符号（通过COMMON块）

重定位

修正引用符号的地址

相关问题

1. 重复代码消除：C++ template，class，inline函数可以每个编译单元定义一次，需要消除重复代码；如果不消除，会有如下影响

   1. 空间浪费
   2. 地址出错：相同的函数指针会有不同的地址
   3. 降低cache命中率

2. 函数级别链接：静态链接默认是以.o文件为基本单位进行段的合并，可以开启函数级别链接，降低无用空间消耗

3. 全局构造和析构：.init保存了构造函数指令，.fini保存了析构函数指令

动态链接

动态链接库是什么

动态链接库 .so文件，是由多个.o文件链接生成的一种目标文件。生成动态链接库的过程如下：

1. 对每个cpp文件生成地址无关代码，gcc -shared -fPIC
2. 编译生成 .so文件， gcc -shared -fPIC *.o

动态链接过程

动态链接在编译的时候只是确定动态库中有需要的符号，并没有发生链接，具体的链接在程序运行中

地址无关代码

由于动态库的指令是多个程序共享的，所以我们不能修改指令中的地址。所以，我们抽象出一个新的段.got，用于保存指令中的地址相关信息。

1. 模块间数据访问
2. 模块间函数调用

他们的数据都需要通过.got进行访问。一般而言，如果确定不被其他模块访问的数据或者代码，最好设置为static；这样明确指定了才不会通过.got访问。不然本模块访问也要通过.got中转，降低速度。

延迟绑定

由于动态链接把链接的过程延迟到了程序运行时，这样肯定会降低程序执行速度。为了减少链接的开销，动态链接库采用延迟绑定的方式。在需要这条指令地址的时候，才链接这个地址。.plt段就是完成延迟绑定功能

动态链接相关的段

.interp段

保存了ld.so的地址

.dynamic段

动态链接相关信息：各个段位置，所依赖的共享对象，共享对象搜索路径

1. 动态字符串表
2. 动态符号表
3. .hash：加快字符串查找速度
4. 动态重定位表：用于重定位.got和.got.plt

动态链接过程

1. 动态链接器自举
2. 装载共享库，生成全局符号表
3. 执行

动态库和静态库中的符号冲突

如果我们链接多个库，这些库中有相同的名字，我们只选择先出现的那个符号加入全局符号表。

Linux系统装载

1. 创建一个独立的虚拟地址空间
2. 寻找.interp段，设置动态连接器路径
3. 读取可执行文件头，建立虚拟地址空间与可执行文件的映射关系
4. 初始化进程环境变量
5. 将CPU指令寄存器设置为可执行文件入口，启动运行。静态链接是ELF中的入口地址，动态链接是动态链接器的地址

ELF映射

上面我们提到，需要见ELF文件中的数据段和代码段映射到虚拟地址空间。这里.bss段有点特殊，它和堆段合并，并没有在数据段里面。