三.計算機系統之連接

一.文件解析(鏈接)過程

• 彙編器將彙編文件xxx.s編譯成可重定位目標文件
  • 目標文件由若干個Section組成，咱們在彙編程序中聲明的.section會成爲目標文件中的Section，此外匯編器還會自動添加一些Section（好比符號表）。
• 鏈接器將多個可重定位文件翻譯成可執行目標文件
  • 把目標文件中的Section(節)合併成幾個Segment(段)。

TIPS: 例如將swap.o 和main.o 翻譯成可執行文件P: ld -o P swap.o main.o

二.目標文件

• 在編譯過程當中有多種文件,彙編和鏈接部分有三種文件(ELF文件)
  • 1. 可重定位目標文件: 包涵二進制代碼和數據。其做用：在編譯時與其它可重定位目標文件合併起來,建立一個可執行目標文件。
    • 和可執行文件區別：自包含當前文件的符號解析，而且符號都沒有實際的虛擬地址
  • 2. 可執行文件: 包含二進制代碼和數據。做用：可用被直接拷貝到存儲器並執行.
  • 3. 共享目標文件: 一種特殊類型的可重定位目標文件。做用：加載或者運行時唄動態地加載到存儲器並連接。

三.彙編器

• 這個文件是彙編器編譯單個文件生成的(xxx.o)文件,可重定位目標文件(ELF格式).下面是各section
  • .text: 已編譯程序的機器代碼
  • .rodata: 只讀數據,好比printf語句中的格式串和開關語句的跳轉表
  • .data: 已初始化的全局C變量。局部變保存在棧中.存放具體數據
  • .bss: 未初始化的全局C變量,不佔空間,僅僅是一個佔位符。目標文件格式區分初始化和未初始uabianl是爲了空間效率。
  • .symtab: 一個符號表。存放在程序全部符號 ( 函數/變量) 的符號名、section號、地址、約束。約束信息：global、local這種限定
  • .rel.text: 鏈接時.text 中須要修改地址的函數。
  • .rel.data：鏈接時.data 中須要修改地址的變量。
  • debug: 一個調試符號表
  • line: 原始C源程序中的行號和.text節中機器指令之間的映射。
  • .strtab: 一個字符串表

四.連接器

• 1.連接的做用的過程

  • 編譯時：將源代碼翻譯成機器代碼
  • 加載時: 程序被夾在器加載到存儲器並執行
  • 運行時：由程序執行

• 2.特色

  • 理解連接將幫助你構造大型程序。
  • 理解鏈接將幫助你避免一些危險的編譯錯誤
  • 理解鏈接將幫助你理解語言的做用域規則是如何實現的。
  • 理解鏈接將幫助你理解語其它重要的系統概念
  • 理解鏈接將使你可以利用共享庫

• 3.編譯時的做用

  • 符號解析: 彙編器生成的是從地址0開始的代碼和數據節，鏈接器將每一個符號引用恰好和一個符號定義聯繫起來。將多個文件的全局變量和函數(默認全局)、static靜態變量和static函數與引用，關聯起來。若是有重複，則經過規則肯定引用的惟一性
  • 重定位:
    • 彙編器：生成的是從地址0開始的代碼和數據節。
    • 鏈接器：把每一個符號與一個存儲器位置聯繫起來,而後修改全部對這些符號的引用,使它們指向這個存儲器的位置,從而重定位這些字節。
      • 就是給全局變量和函數(默認全局)、static靜態變量和static函數分配地址

• 4.符號和符號表

  • 由模塊m （文件m） 定義能被其它模塊引用的全局符號
  • 有其它模塊定義能被模塊m （文件m） 引用的全局符號
  • 只被模塊m （文件m） 定義和引用的本地符號：static 變量(全局/本地)和函數

• 5.符號解析規則

  • 將每一個引用與它的定義文件(可重定位目標文件)的符號表中的一個肯定的符號聯繫起來。
    • 就是將引用符號替換成定義的虛擬地址空間中的地址(該地址記錄在定義文件的符號表中)

• 6.解析全局符號規則

  • 不容許多個強符號。直接被初始化值的全局變量,不能同名定義多個
  • 若是有一個強符號和多個弱符號,那麼選強符號
  • 若是有多個弱符號,那麼從這些弱符號中任選一個
  • tips:強符號：被初始化的值的全局變量或函數;弱符號

• 7.與靜態庫鏈接

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

• 8.解析靜態庫的引用

  • 三個集合:
    • 1 可重定位目標文件E,會被合併形參可執行文件
    • 2 引用了,可是還沒有定義的符號集合U
    • 3 前面輸入文件已經定義的符號D
  • 規則
    • 先掃描符號到U
    • 將定義了的符號(可能現階段纔剛剛掃描一部分)存放到D，未定義的存放到E
    • 最後合併E中的目標文件,從而構建輸出的可執行文件.

• 9.可重定位

  • 一旦鏈接器完成了符號解析這一步,它就把每一個符號引用和肯定的一個符號定義聯繫起來了

  • 重定位節和符號定義:鏈接器將全部相同類型的節合併爲同一類型的新的聚合節(段)，並運行時的存儲器地址賦給新的聚合節(段)。虛擬內存是以頁爲單位加載的，同一頁必須相同的讀寫修改權限，一段能夠多個頁

  • 重定位節中的符號引用:鏈接器修改代碼節和數據節中對每一個符號的引用,將他們指向正確的運行時地址。生成可執行目標文件

• 10.可執行目標文件

  ELF的格式的可執行目標文件，帶有地址的聚合文件,可加載到系統中