三.计算机系统之连接

一.文件解析(链接)过程

• 汇编器将汇编文件xxx.s编译成可重定位目标文件
  • 目标文件由若干个Section组成，咱们在汇编程序中声明的.section会成为目标文件中的Section，此外汇编器还会自动添加一些Section（好比符号表）。
• 链接器将多个可重定位文件翻译成可执行目标文件
  • 把目标文件中的Section(节)合并成几个Segment(段)。

TIPS: 例如将swap.o 和main.o 翻译成可执行文件P: ld -o P swap.o main.o

二.目标文件

• 在编译过程当中有多种文件,汇编和链接部分有三种文件(ELF文件)
  • 1. 可重定位目标文件: 包涵二进制代码和数据。其做用：在编译时与其它可重定位目标文件合并起来,建立一个可执行目标文件。
    • 和可执行文件区别：自包含当前文件的符号解析，而且符号都没有实际的虚拟地址
  • 2. 可执行文件: 包含二进制代码和数据。做用：可用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。做用：加载或者运行时呗动态地加载到存储器并连接。

三.汇编器

• 这个文件是汇编器编译单个文件生成的(xxx.o)文件,可重定位目标文件(ELF格式).下面是各section
  • .text: 已编译程序的机器代码
  • .rodata: 只读数据,好比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。局部变保存在栈中.存放具体数据
  • .bss: 未初始化的全局C变量,不占空间,仅仅是一个占位符。目标文件格式区分初始化和未初始uabianl是为了空间效率。
  • .symtab: 一个符号表。存放在程序全部符号 ( 函数/变量) 的符号名、section号、地址、约束。约束信息：global、local这种限定
  • .rel.text: 链接时.text 中须要修改地址的函数。
  • .rel.data：链接时.data 中须要修改地址的变量。
  • debug: 一个调试符号表
  • 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

四.连接器

• 1.连接的做用的过程

  • 编译时：将源代码翻译成机器代码
  • 加载时: 程序被夹在器加载到存储器并执行
  • 运行时：由程序执行

• 2.特色

  • 理解连接将帮助你构造大型程序。
  • 理解链接将帮助你避免一些危险的编译错误
  • 理解链接将帮助你理解语言的做用域规则是如何实现的。
  • 理解链接将帮助你理解语其它重要的系统概念
  • 理解链接将使你可以利用共享库

• 3.编译时的做用

  • 符号解析: 汇编器生成的是从地址0开始的代码和数据节，链接器将每一个符号引用恰好和一个符号定义联系起来。将多个文件的全局变量和函数(默认全局)、static静态变量和static函数与引用，关联起来。若是有重复，则经过规则肯定引用的惟一性
  • 重定位:
    • 汇编器：生成的是从地址0开始的代码和数据节。
    • 链接器：把每一个符号与一个存储器位置联系起来,而后修改全部对这些符号的引用,使它们指向这个存储器的位置,从而重定位这些字节。
      • 就是给全局变量和函数(默认全局)、static静态变量和static函数分配地址

• 4.符号和符号表

  • 由模块m （文件m） 定义能被其它模块引用的全局符号
  • 有其它模块定义能被模块m （文件m） 引用的全局符号
  • 只被模块m （文件m） 定义和引用的本地符号：static 变量(全局/本地)和函数

• 5.符号解析规则

  • 将每一个引用与它的定义文件(可重定位目标文件)的符号表中的一个肯定的符号联系起来。
    • 就是将引用符号替换成定义的虚拟地址空间中的地址(该地址记录在定义文件的符号表中)

• 6.解析全局符号规则

  • 不容许多个强符号。直接被初始化值的全局变量,不能同名定义多个
  • 若是有一个强符号和多个弱符号,那么选强符号
  • 若是有多个弱符号,那么从这些弱符号中任选一个
  • tips:强符号：被初始化的值的全局变量或函数;弱符号

• 7.与静态库链接

  • gcc main.c /usr/lib/libm.a /usr/lib/libc.a

• 8.解析静态库的引用

  • 三个集合:
    • 1 可重定位目标文件E,会被合并形参可执行文件
    • 2 引用了,可是还没有定义的符号集合U
    • 3 前面输入文件已经定义的符号D
  • 规则
    • 先扫描符号到U
    • 将定义了的符号(可能现阶段才刚刚扫描一部分)存放到D，未定义的存放到E
    • 最后合并E中的目标文件,从而构建输出的可执行文件.

• 9.可重定位

  • 一旦链接器完成了符号解析这一步,它就把每一个符号引用和肯定的一个符号定义联系起来了

  • 重定位节和符号定义:链接器将全部相同类型的节合并为同一类型的新的聚合节(段)，并运行时的存储器地址赋给新的聚合节(段)。虚拟内存是以页为单位加载的，同一页必须相同的读写修改权限，一段能够多个页

  • 重定位节中的符号引用:链接器修改代码节和数据节中对每一个符号的引用,将他们指向正确的运行时地址。生成可执行目标文件

• 10.可执行目标文件

  ELF的格式的可执行目标文件，带有地址的聚合文件,可加载到系统中