鏈接
  鏈接就是將不同部分的代碼和數(shù)據(jù)收集和組合成為一個單一文件的過程,這個文件可被加載或拷貝到存儲器執(zhí)行.
  鏈接可以執(zhí)行與編譯時(源代碼被翻譯成機(jī)器代碼時),也可以執(zhí)行與加載時(在程序被加載器加載到存儲器并執(zhí)行時),甚至執(zhí)行與運(yùn)行時,由應(yīng)用程序來執(zhí)行.在現(xiàn)代系統(tǒng)中,鏈接是由鏈接器自動執(zhí)行的.
  鏈接器分為:靜態(tài)鏈接器和動態(tài)鏈接器兩種.
靜態(tài)鏈接器
  靜態(tài)鏈接器以一組可重定位目標(biāo)文件和命令行參數(shù)作為輸入,生成一個完全鏈接的可以加載和運(yùn)行的可執(zhí)行目標(biāo)文件作為輸出.

  靜態(tài)鏈接器主要完成兩個任務(wù):
  1>符號解析:目標(biāo)文件定義和引用符號.符號解析的目的在于將每個符號引用和一個符號定義聯(lián)系起來.
  2>重定位:編譯器和匯編器生成從地址零開始的代碼和數(shù)據(jù)節(jié).鏈接器通過把每個符號定義和一個存儲器位置聯(lián)系起來,然后修改所有對這些符號的引用,使得他們執(zhí)行這個存儲位置,從而重定位這些節(jié).

  目標(biāo)文件:
  目標(biāo)文件有三種形式:
  1>可重定位的目標(biāo)文件:
  包含二進(jìn)制代碼和數(shù)據(jù),其形式可以再編譯時與其他可定位目標(biāo)文件合并起來,創(chuàng)建一個可執(zhí)行目標(biāo)文件.
  2>可執(zhí)行目標(biāo)文件:
  包含二進(jìn)制代碼和數(shù)據(jù),其形式可以被直接拷貝到存儲器并執(zhí)行.
  3>共享目標(biāo)文件:
  一種特殊的可重定位目標(biāo)文件,可以再加載或運(yùn)行時,被動態(tài)地夾在到存儲器并執(zhí)行.
  編譯器和匯編器生成可重定位目標(biāo)文件(包括共享目標(biāo)文件),鏈接器生成可執(zhí)行目標(biāo)文件.

  可重定位目標(biāo)文件:
  EF頭L以一個16字節(jié)的序列開始,這個序列描述了字的大小和生成該文件的系統(tǒng)字節(jié)順序.ELF頭剩下的部分包含幫助鏈接器解析和解釋目標(biāo)文件的信息.其中包括ELF頭的大小,目標(biāo)文件的類型(比如,可重定位,可執(zhí)行,共享目標(biāo)文件),機(jī)器類型,節(jié)頭部表的文件偏移,以及節(jié)頭部表中的表目大小和數(shù)量.不同節(jié)的位置和大小是節(jié)頭部表描述的,其中目標(biāo)文件中的每個節(jié)都有一個固定大小的表目.ELF格式的可重定位目標(biāo)文件結(jié)構(gòu)如下圖:

.text:已編譯程序的機(jī)器代碼
.rodata:只讀數(shù)據(jù)
.data:已初始化的全局C變量
.bss:未初始化的全局C變量.在目標(biāo)文件中這個節(jié)不占實際空間,僅是一個占位符.
.sysmtab:一個符號表,存放在程序中被定義和引用的函數(shù)和全局變量的信息.
.rel.text:當(dāng)鏈接器把這個目標(biāo)文件和其他文件結(jié)合時,.text節(jié)中的許多位置都需要修改.一般而言,任何調(diào)用外部函數(shù)或者引用全局變量的指令都要修改.另一個方面,調(diào)用本地函數(shù)的指令則不需要修改.
.rel.data:被模塊定義或引用的任何全局變量的信息.
.debug:一個調(diào)試符號表
.line:原始C源程序中的行號和.text節(jié)中機(jī)器指令之間的映射.
.strtab:一個字符串表,其中內(nèi)容包括.symtab和.debug節(jié)中的符號表,以及節(jié)頭部中的節(jié)名字.

  符號和符號表
  每個可重定位目標(biāo)模塊m都有一個符號表,它包含m所定義和引用的符號的信息.在鏈接器上下文中,有三種不同的符號:
  1>由m定義并能被其他模塊引用的全局符號.全局鏈接器符號對應(yīng)于非靜態(tài)的C函數(shù)以及被定義為不帶C的static屬性的全局變量.
  2>由其他模塊定義并被模塊m引用的全局符號.這些符號成為外部符號,對應(yīng)于定義在其他模塊中的C函數(shù)和變量.
  3>只被模塊m定義和引用的本地符號.有的本地符號鏈接器符號對應(yīng)于帶static屬性的C函數(shù)和全局變量.這些符號在模塊m中的任何地方都可見,但是不能被其他模塊引用.目標(biāo)文件中對應(yīng)于模塊m的節(jié)和相應(yīng)的源文件的名字也能獲得本地符號.

  符號表式有匯編器構(gòu)造的,使用編譯器輸出到匯編語言.s文件中的符號.sysmab節(jié)中包含ELF符號表.這張符號表包含一個關(guān)于表目的數(shù)組.表目的格式如下:

typedef struct{
 int name; //string table offset
 int value; //section offset, or VM address
 int size; //object size in bytes
 char type:4, //data, func, section, or src file
    binding:4; //local or global
 char reserved; //unused
 char section; //section header index, ABS, UNDEF, or COMMON
}Elf_Symbol;

符號解析
  鏈接器解析符號引用的方法是將每個引用和它輸入的可重定位目標(biāo)文件按的符號表中的一個確定的符號定義聯(lián)系起來.
  對于那些和引用定義在相同模塊的本地符號的引用,符號解析式非常簡單明了的.編譯器只允許每個模塊中的每個本地符號只有一個定義.編譯器還確保靜態(tài)本地變量,它們會有本地鏈接器符號,擁有唯一的名字.
  對于全局符號的引用解析,當(dāng)編譯器遇到一個不是在當(dāng)前模塊中定義的符號(變量或函數(shù)名)時,它會假設(shè)該符號式在其他某個模塊中定義的,生成一個鏈接器符號表表目,并把它交給鏈接器處理.如果鏈接器在它的任何輸入模塊中都找不到這個被引用的符號,它就輸出一條錯誤信息并終止.
  在編譯時,編譯器輸出的每個全局符號給匯編器,或者是強(qiáng),或者是弱,而匯編器把這個信息隱含地編碼在可重定位目標(biāo)文件的符號表中.函數(shù)和以初始化的全局變量是強(qiáng)符號,未初始化的全局變量是弱符號.
  根據(jù)符號的強(qiáng)弱,有如下規(guī)則:
  1>不允許有多個強(qiáng)符號
  2>如果有一個強(qiáng)符號和多個弱符號,則選擇強(qiáng)符號
  3>如果有多個弱符號,則任選一個弱符號

  與靜態(tài)庫鏈接
  所有編譯系統(tǒng)都提供一種機(jī)制,將所有相關(guān)的目標(biāo)模塊打包為一個單獨的文件,稱為靜態(tài)庫,它可以用做鏈接器的輸入.當(dāng)鏈接器構(gòu)造一個輸出的可執(zhí)行文件時,它只拷貝靜態(tài)庫里被應(yīng)用程序引用的目標(biāo)模塊.
  在unix系統(tǒng)中,靜態(tài)庫以一種稱為存檔的特殊文件格式存放在磁盤中.存檔文件是一組連接起來的可重定位目標(biāo)文件的集合,有一個頭部描述每個成員目標(biāo)文件的大小和位置.

  鏈接器如何使用靜態(tài)庫來解析引用
  在符號解析階段,鏈接器從左到右按照它們在編譯驅(qū)動程序命令行上出現(xiàn)的相同順序來掃描可重定位目標(biāo)文件和存檔文件.在這次掃描中,鏈接器位置一個可重定位目標(biāo)文件集合E,這個集合中的文件會被合并起來形成可執(zhí)行文件,和一個未解析的符號集合U,以及一個在前面輸入文件中已定義的符號結(jié)合D.初始時,E,U,D都是空的.
  1>對于命令行上的每個輸入文件f,鏈接器會判斷f是一個目標(biāo)文件還是一個存檔文件.如果是一個目標(biāo)文件,那么鏈接器把f添加到E,修改U和D來反映f中的符號定義和引用,并繼續(xù)下一個輸入文件.
  2>如果f是一個存檔文件,那么鏈接器就嘗試匹配U中未解析的符號由存檔文件成員定義的符號.如果某個存檔文件成員m,定義了一個符號來解析U中的一個引用,那么就將m加到E中,并且鏈接器修改U和D來反映m中的符號定義和引用.對存檔文件中的所有成員目標(biāo)文件都反復(fù)進(jìn)行這個過程,知道U和D都不再發(fā)生變化.在此時,任何不包含在E中的成員目標(biāo)文件都會被丟棄,而鏈接器將繼續(xù)到下一個輸入文件.
  3>如果當(dāng)鏈接器完成對輸入命令行的掃描后,U是非空的,那么鏈接器就會輸出一個錯誤并終止.否則,它會合并重定位E中的目標(biāo)文件,從而構(gòu)建輸出的可執(zhí)行文件.

  這種方式,導(dǎo)致了在輸入命令時要考慮到,靜態(tài)庫和目標(biāo)文件的位置,庫文件放在目標(biāo)文件的后面,如果庫文件之間有引用關(guān)系,則被引用的庫放在后面.

重定位
  當(dāng)鏈接器完成了符號解析這一步時,它就把代碼中的每個符號引用和確定的一個符號定義(也就是,它的一個輸入目標(biāo)模塊中的一個符號表表目)聯(lián)系起來.此時,鏈接器就知道它的輸入目標(biāo)模塊中的代碼節(jié)和數(shù)據(jù)解的確切大小.然后就開始重定位步驟.重定位由兩步組成:
  1>重定位節(jié)和符號定義:
  在這一步中,鏈接器將所有相同類型的節(jié)合并為一個新的聚合節(jié).然后,鏈接器將運(yùn)行時存儲器地址賦值給新的聚合節(jié),賦給輸入模塊定義的每個節(jié),以及賦給輸入模塊定義的每個符號.當(dāng)這一步完成時,程序中的每個指令和全局變量都一個唯一的運(yùn)行時存儲器地址.
  2>重定位節(jié)中的符號引用:
  在這一步中,鏈接器修改代碼節(jié)和數(shù)據(jù)節(jié)中對每個符號的引用,使得它們指向正確的運(yùn)行時地址.為了執(zhí)行這一步,鏈接器依賴于稱為重定位表目的可重定位目標(biāo)模塊中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).

  重定位表目:
  當(dāng)匯編器生成一個目標(biāo)模塊時,它并不知道數(shù)據(jù)和代碼最終將存放在存儲器中的什么位置.它也不知道這個模塊引用的任何外部定義的函數(shù)或者全局變量的位置.所以,無論何時匯編器遇到對最終位置未知的目標(biāo)引用,它就會生成一個重定位表目,告訴鏈接器在將目標(biāo)文件合并為可執(zhí)行文件時,如何修改這個引用.代碼的重定位表目放在.rel.text中.已初始化數(shù)據(jù)的重定位表目放在rel.data中.
  ELF重定位表目的格式如下:
  typedef struct{
    int offset;  //offset of the reference to relocate
    int symbol:24,  //symbol the reference point to
        type:8;  //relocation type
  } Elf32_Rel;

  ELF定義了11中不同的重定位類型,其中最基本的兩種重定位類型是:R_386_PC32(重定位一個使用32PC相關(guān)的地址引用)和R_386_32(重定位一個使用32位絕對地址的引用).

動態(tài)鏈接器
  共享庫是一個目標(biāo)模塊,在運(yùn)行時,可以加載到任意的存儲器地址,并在存儲器中和一個程序鏈接起來.這個過程稱為動態(tài)鏈接,是由動態(tài)鏈接器完成的.
  共享庫的共享在兩個方面有所不同.首先,在任何給定的文件系統(tǒng)中,對于一個庫只有一個.so文件.所有引用該庫德可執(zhí)行目標(biāo)文件共享這個.so文件中的代碼和數(shù)據(jù),而不是像靜態(tài)庫德內(nèi)容那樣被拷貝和嵌入到引用它們的可執(zhí)行的文件中.其次,在存儲器中,一個共享庫的.text節(jié)只有一個副本可以被不同的正在運(yùn)行的進(jìn)程共享.

  多目標(biāo)文件的鏈接
stack.c

#include <stdio.h> 
   
  #define STACKSIZE 1000 
   
  typedef struct stack { 
    int data[STACKSIZE]; 
    int top; 
  } stack; 
   
  stack s; 
  int count = 0; 
   
  void pushStack(int d) 
  { 
    s.data[s.top ++] = d; 
    count ++; 
  } 
   
  int popStack() 
  { 
    return s.data[-- s.top]; 
  } 
   
  int isEmpty() 
  { 
    return s.top == 0; 
  } 

link.c

  #include <stdio.h> 
   
  int a, b; 
   
  int main() 
  { 
    a = b = 1; 
   
    pushStack(a); 
    pushStack(b); 
    pushStack(a); 
   
    while (！ isEmpty()) { 
      printf("%d\n", popStack()); 
    } 
     
    return 0; 
  } 

編譯方式：

gcc -Wall stack.c link.c -o main

提示出錯信息如下：

但是代碼是可以執(zhí)行的

定義和聲明

static和extern修飾函數(shù)
上述編譯出現(xiàn)錯誤的原因是：編譯器在處理函數(shù)調(diào)用代碼時沒有找到函數(shù)原型，只好根據(jù)函數(shù)調(diào)用代碼做隱式聲明，把這三個函數(shù)聲明為：

  int pushStack(int); 
  int popStack(void); 
  int isEmpty(void); 

編譯器往往不知道去哪里找函數(shù)定義，像上面的例子，我讓編譯器編譯main.c，而這幾個函數(shù)定義卻在stack.c里，編譯器無法知道，因此可以用extern聲明。修改link.c如下：

  #include <stdio.h> 
   
  int a, b; 
   
  extern void pushStack(int d); 
  extern int popStack(void); 
  extern int isEmpty(void); 
   
  int main() 
  { 
    a = b = 1; 
   
    pushStack(a); 
    pushStack(b); 
    pushStack(a); 
   
    while (! isEmpty()) { 
      printf("%d\n", popStack()); 
    } 
     
    return 0; 
  } 

這樣編譯器就不會報警了。這里extern關(guān)鍵字表示這個標(biāo)識符具有External Linkage.pushStack這個標(biāo)識符具有External Linkage指的是：如果link.c和stack.c鏈接在一起，如果pushStack在link.c和stack.c中都聲明(在stack.c中的聲明同時也是定義)，那么這些聲明指的是同一個函數(shù)，鏈接后是同一個GLOBAL符號，代表同一個地址。函數(shù)聲明中的extern可以省略不寫，不屑extern的函數(shù)聲明也表示這個函數(shù)具有External Linkage。

如果用static關(guān)鍵字修飾一個函數(shù)聲明，則表示該標(biāo)識符具有Internal Linkage,例如有以下兩個程序文件：

  /* foo.c */ 
   
  static void foo(void) {} 


  /*main.c*/ 
   
  void foo(void); 
   
  int main(void) { foo(); return 0;} 

編譯鏈接在一起會出錯，原因是：

雖然在foo.c中定義了函數(shù)foo，但是這個函數(shù)是static屬性，只具有internal Linkage。如果把foo.c編譯成目標(biāo)文件，函數(shù)名foo在其中是一個LOCAL的符號，不參與鏈接過程，所以在鏈接時，main.c中用到一個External Linkage的foo函數(shù)，鏈接器卻找不到它的定義在哪，無法確定它的地址，也就無法做符號解析，只好報錯。

凡是被多次聲明的變量或函數(shù)，必須有且只有一個聲明是定義，如果有多個定義，或者一個定義都沒有，鏈接器就無法完成鏈接

static和extern修飾變量
如果我想在link.c中訪問stack.c中定義的int變量count，則可以用extern聲明

 #include <stdio.h> 
   
  int a, b; 
   
  extern void pushStack(int d); 
  extern int popStack(void); 
  extern int isEmpty(void); 
  extern int count; 
   
  int main() 
  { 
    a = b = 1; 
   
    pushStack(a); 
    pushStack(b); 
    pushStack(a); 
   
    printf("%d\n", count); 
   
    while (! isEmpty()) { 
      printf("%d\n", popStack()); 
    } 
     
    return 0; 
  } 

變量count具有external linkage，它的存儲空間是在stack.c中分配的，所以link.c中的變量聲明extern int count;不是變量定義，因為它不分配存儲空間。

如果不想在stack.c外讓外界訪問到count，則可以用static關(guān)鍵字將count聲明為Internal Linkage
區(qū)別
變量生命和函數(shù)聲明有一點不同，函數(shù)聲明的extern可寫可不寫，而變量聲明如果不寫extern，意思就完全變了。如果上面的例子不寫extern就表示在main函數(shù)中定義一個全局變量count。

用static關(guān)鍵字聲明具有Internal Linkage的函數(shù)和關(guān)鍵字是處于保護(hù)內(nèi)部狀態(tài)的目的，也是一種封裝(Encapsulation)的思想。一個模塊中，有些函數(shù)是提供給外界使用的，也稱為導(dǎo)出(Export)給外界使用，這些函數(shù)用extern聲明為External Linkage的。

頭文件
為了防止每次函數(shù)extern聲明，例如又有一個foo.c也使用pushStack等函數(shù)，又需要在foo.c中寫多個extern聲明，為了避免這種重復(fù)麻煩的操作，可以自己定義一個stack.h頭文件：

 #ifndef STACK_H 
  #define STACK_H 
   
  #define STACKSIZE 1000 
   
  typedef struct stack { 
    int data[STACKSIZE]; 
    int top; 
  } stack; 
   
  extern void pushStack(int d); 
  extern int popStack(void); 
  extern int isEmpty(void); 
   
  #endif 

這樣，在link.c里就只需要包含這個頭文件就可以了，而不需要寫三個函數(shù)聲明了：

 #include <stdio.h> 
  #include "stack.h" 
   
  int a, b; 
   
  extern int count; 
   
  int main() 
  { 
    a = b = 1; 
   
    pushStack(a); 
    pushStack(b); 
    pushStack(a); 
   
    printf("%d\n", count); 
   
    while (! isEmpty()) { 
      printf("%d\n", popStack()); 
    } 
     
    return 0; 
  } 

為什么#include <stdio.h>用角括號，而#include "stack.h"用引號？原因：

•     對于用角括號包含的頭文件，gcc首先查找-I選項指定的目錄，然后查找系統(tǒng)的頭文件目錄(通常是/usr/include)
•     對于用“”包含的頭文件，gcc首先查找包含頭文件的.c文件所在的目錄，然后查找-I選項指定的目錄，然后查找系統(tǒng)的頭文件目錄

用#ifndef #define #endif是為了防止頭文件的重復(fù)包含，頭文件重復(fù)包含的問題如下：

•     使預(yù)處理的速度變慢了，要處理很多本來不需要處理的頭文件
•     如果a.h包含了b.h,然后b.h又包含了a.h的情況，預(yù)處理就陷入死循環(huán)了
•     頭文件按有些代碼不允許重復(fù)出現(xiàn)

頭文件中的變量和函數(shù)聲明一定不能是定義。如果頭文件中出現(xiàn)變量或函數(shù)定義，這個頭文件又被多個.c文件包含，那么這些.c文件就不能鏈接在一起

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