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  • 《深入理解计算机系统》--链接

        链接可以执行与编译时,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,也就是在程序被加载器加载到存储器并执行时;甚至可以执行于运行时,由应用程序来执行。

        从传统静态链接到加载时的共享库的动态链接,以及到运行时的共享库的动态链接。

    一、编译器驱动程序

    /* $begin main */
    /* main.c */
    void swap();
    
    int buf[2] = {1, 2};
    
    int main() 
    {
        swap();
        return 0;
    }
    /* $end main */
    
    
    /* $begin swap */
    /* swap.c */
    extern int buf[];
    
    int *bufp0 = &buf[0];
    int *bufp1;
    
    void swap() 
    {
        int temp;
    
        bufp1 = &buf[1];
        temp = *bufp0;
        *bufp0 = *bufp1;
        *bufp1 = temp;
    }
    /* $end swap */
    
    

        函数main()调用swap交换外部全局数据buf中的两个元素。这个例子贯穿全文,分析链接是如何工作的。但是上述的交换方式非常奇怪!!!大多数编译系统提供编译驱动程序,它代表用户在需要时调用语言预处理器、编译器、汇编器和链接器。


    二、静态链接

        静态链接器以一组可重定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。

        为构造可执行文件,链接器必须完成两个主要任务:

    • 符号解析 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。
    • 重定位  编译器额汇编器生成从地址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。

        目标文件纯粹是字节快的集合。这些块中,有些包含程序代码,有些则包含程序数据,而其他的则包括指导链接器和加载器的数据结构。链接器将这些块链接起来,确定被连接块的运行时位置,并且修改代码和数据块中的各种位置。链接器对目标机器了解甚少。产生目标文件的编译器和汇编器已经完成了大部分工作。

    三、目标文件

        目标文件有三种形式:

    • 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。在上图可以发现(我觉得就是单个CPP编译出来的.o文件)
    • 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(最终被编译好的可执行的二进制文件)
    • 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时被动态地加载到存储器并链接。(共享库之类的)

        编译器和汇编器生成可重定义目标文件(包括共享目标文件)。链接器生成可执行目标文件。

        各个系统之间,目标文件格式都不相同。

    四、可重定位目标文件

     

        一个典型的ELF可重定位目标文件包含下面几个节:

    • .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。局部C变量在运行时保存在栈中,既不出现在.data节中,也不会出现在.bss中
    • .bss 未初始化的全局C变量。

    八、可执行目标文件


    九、加载可执行目标文件

        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对齐的地质处,并通过调用malloc库往上增长。用户栈总是从最大的合法用户地址开始,向下增长的。

    加载的工作流程:

    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有的虚拟存储器段,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的页映射到可执行文件的页大小的片,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。除了一些头部信息,在加载过程中没有任何从磁盘到存储器的数据拷贝。直到CPU应用一个被映射的虚拟页才会进行拷贝,此时,操作系统利用它的页面调度机制自动将页面从磁盘传送到存储器。

    十、动态链接共享库


    十一、从应用程序中加载和链接共享库

        在程序中加载和链接动态库是通过函数加载的!

    ps:链接可以在编译时由静态编译器来完成,也可以在加载时和运行时由动态链接器来完成。链接器处理称为目标文件的二进制文件。

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