编译时#

编译时链接是指在程序编译过程中完成的链接。在这个阶段，链接器（Linker）将多个编译后的目标文件（Object Files）和库（Libraries）合并成一个单一的可执行文件。这些目标文件通常是由编译器从源代码文件转换成的机器代码，包含了程序的各个模块。

• 目的：创建一个独立的、可以直接执行的程序文件。
• 过程：解析外部符号引用，将所有必需的模块和库函数拼接在一起，处理全局变量和函数的内存地址分配。
• 优点：生成的可执行文件可以直接分发和执行，无需任何额外的处理。
• 限制：编译时链接的程序在分发后难以修改，因为任何改动都需要重新链接和分发。

编译过程

cpp -o main.i main.c
或
gcc -E -o main.i main.c
(-E代表gcc只进行预处理，不做编译、汇编和链接)

cc -S -o main.s main.i
或
gcc -S -o main.s main.-
(-S代表gcc只进行编译)

什么是可重定位目标文件#

整个编译过程

. i -> . s -> . o -> . out

. o 称作可重定位目标文件

包含二进制的代码和数据。可以与其他可重定位目标文件合并成可执行目标文件。又称 obj 文件，gcc 经过预处理、编译、汇编后生成的 .o 文件即为可重定位目标文件

查看可重定位目标文件内容#

链接器如何解析多重定义的全局符号#

编译器和汇编器会把每个全局符号区分为强或弱，并将之隐含地编码在可重定位文件地符号表里。

• 强符号：函数和已初始化的全局变量
• 弱符号：未初始化的全局变量

Linux 链接器使用以下规则来处理多重定义的全局符号：

1. 规则1：不允许有多个同名的强符号。导致如下

2. 规则2：如果一个全符号和多个弱符号同名，那么选择强符号

结果打印出”x = 15212”，导致错误。

3. 规则3：如果有多个弱符号同名，任意选择其中一个。导致如下覆盖

注意：vs 的链接器并未遵守规则2，规则3：如果定义了同名的全局变量，链接器会直接报错，不论是强符号还是弱符号。

静态库#

可以将多个相关的目标模块打包成一个单独的文件，称为静态库。

通过静态库，相关的函数可以被编译为独立的目标模块，然后封装成一个单独的静态库文件。

静态库可以用作链接器的输入。链接器在构造可执行文件时，从静态库中复制被应用程序引用的目标模块，其他未用到的模块则不会复制。

在 Linux 系统中，静态库以一种称为存档的特殊文件格式存放磁盘中。存档文件是一组连接起来的可重定位目标文件的集合，有一个头部用来描述每个成员目标文件的大小和位置。存档文件后缀名为 .a （archive）

理解：静态库和存档文件可以当作一个东西。存档是文件层面的描述，静态库是模块层面的描述。

在 linux 中，静态链接库是 .a 文件，动态链接库是 .so 文件。在windows 中，静态链接库是 .lib 文件，动态链接库是 .dll 文件。

通过如下命令创建静态库：

//将 addvec.c 和 multvec 两个文件编译成两个可重定位目标文件

linux> gcc -c addvec.c multvec.c 

//采用 ar 工具将上一步生成的两个可重定位目标文件 addvec.o 和 multvec.o 封装到静态库 libvector.o 中。

linux> ar rcs libvector.a addvec.o multvec.o 

链接器如何解析引用#

符号解析的过程

在符号解析阶段，链接器从左到右按照它们在编译器驱动程序命令行上出现的顺序来扫描可重定位目标文件和存档文件。

在扫描中，链接器会维护一个可重定位目标文件的集合 E，一个未解析的符号 (即引用了但尚未定义的符号) 集合 U，已定义的符号集合 D。初始时 E, U, D 都为空。

1. 对于命令行上的每个输入文件 f，链接器会判断 f 是一个目标文件还是一个存档文件。

2. 如果 f 是一个目标文件，链接器会把 f 添加到 E，修改 U 和 D 来反映 f 中的符号定义和引用，并继续下一个输入文件。

3. 如果 f 是一个存档文件，链接器会尝试匹配 U 中未解析的符号和存档文件成员定义的符号。

4. 如果 f 中的某个成员 m 定义了一个符号来解析 U 中的一个引用，就把 m 加到 E 中，并修改 U 和 D 来反映 m 中的符号定义和引用。

5. 对存档文件中所有的成员目标文件都依次进行这个过程。之后任何不包含在 E 中的成员目标文件都简单地被丢弃。

6. 处理完 f，链接器会继续处理下一个输入文件。

7. 当链接器扫描完所有输入文件后，如果 U 是非空的，链接器会输出一个错误并终止。

• 库在命令行中放在什么位置

在命令行中，如果定义一个符号的库出现在引用这个符号的目标文件前，引用就不能被解析，链接会失败。因为初始时 U 是空的。

一般把库放在命令行的结尾。如果库之间相互依赖，则依赖者在前，被依赖者在后。如果双向引用，可以在命令行上重复库。

重定位条目#

重定位条目用来解决符号引用和符号定义的运行时地址的关联问题。

当汇编器遇到对最终位置的目标引用时，就会生成一个重定位条目，告诉链接器在合并目标文件为可执行文件时如何修改这个引用。

代码的重定位条目放在 .rel.text 中，已初始化数据的重定位条目放在 .rel.data 中。

每个重定位条目都代表了一个必须被重定位的引用。

加载器的工作过程#

加载器的工作过程可以概括为以下几个主要步骤：

1. 创建内存映像
   • 加载器为即将运行的程序分配一个虚拟地址空间，作为程序的内存映像。
2. 读取程序头部表
   • 加载器读取可执行文件的程序头部表（Program Header Table），获取各个段的加载地址、文件偏移、段大小及权限等信息。
3. 复制段到内存
   • 根据程序头部表的指导，加载器将可执行文件中的代码段（包含程序指令）和数据段（包含已初始化的全局和静态变量）复制到内存中的指定位置。
4. 分配并初始化BSS段
   • 加载器为BSS段（未初始化数据段）分配内存，并将其初始化为零。BSS段用于存储未初始化的全局和静态变量。
5. 设置入口点
   • 完成内存映像的创建后，加载器将程序的入口点设置为 _start 函数的地址。
6. 初始化运行环境
   • _start 函数负责初始化程序的运行环境，包括设置堆栈指针和初始化C库。
7. 调用 __libc_start_main
   • 初始化完成后，_start 函数调用 __libc_start_main，这是C库的启动函数，负责进一步初始化C运行时环境。
8. 执行 main 函数
   • __libc_start_main 初始化完毕后，调用用户编写的 main 函数，程序的主体逻辑在这里执行。
9. 程序结束
   • main 函数执行完毕后，返回一个整数值，__libc_start_main 获取这个返回值，并调用 exit 函数进行清理工作，最后将控制权返回给内核，程序结束运行。

通过上述步骤，加载器成功地将可执行文件加载到内存中，并启动程序的执行。

静态库#

优点：

1. 简单性：由于库的代码在编译时已经被包含在可执行文件中，因此部署简单，不需要额外的库文件。
2. 性能：没有运行时载入或符号解析的开销，可以微小地提升性能。

缺点：

1. 体积：每个使用静态库的程序都包含了一个库的副本，这使得最终的可执行文件体积增大。
2. 更新不便：一旦静态库更新，所有使用该库的应用程序都需要重新编译和链接，以便使用新版本的库。

共享库（动态库）#

优点：

1. 内存与存储效率：多个程序可以共享同一内存中的库副本，节省了系统资源。
2. 易于更新：库的更新不需要重新编译使用这个库的程序，只要保持接口不变，新版本库可以透明替换旧版本。
3. 模块化：程序在运行时只加载需要的库，有利于模块化和按需加载。

动态链接的过程：

• 在程序启动时或者在运行时，动态链接器（如 Linux 的 ld.so）负责读取可执行文件的动态链接部分，解析需要加载的动态库，并将它们载入内存。
• 链接器处理重定位表和符号表，确保程序中的符号引用正确地指向其在动态库中的对应项。
• 此过程通常涉及查找环境变量或系统配置文件中指定的库路径。

示例命令#

创建共享库：

gcc -shared -fpic -o libvector.so addvec.c multvec.c

• -fpic 生成位置无关的代码（Position Independent Code），这对于动态库是必要的，因为动态库需要能在任何地址正常运行。
• -shared 创建共享库。

链接共享库：

gcc -o prog21 main2.c ./libvector.so

• 这条命令不是将 libvector.so 的内容复制到 prog21 中，而是配置了程序在运行时如何找到和使用 libvector.so。 动态链接共享库：

Linux 中动态访问共享库：

dlopen, dlsym, dlclose, 和 dlerror 函数提供了一个强大的接口，允许应用程序在运行时动态地加载、访问、调用和卸载共享库（动态链接库，如 .so 文件）。

动态链接的视觉解释#

想象一个场景，程序在启动时，动态链接器读取程序的元数据，发现需要 libc.so，然后查找这个库文件的位置，加载它到内存，并将程序中对 libc.so 的引用指向这个内存地址。这个过程确保了当程序调用标准 C 函数时，能够执行到正确的代码。

总结#

静态库和动态库（共享库）各有优缺点，适用于不同的应用场景。静态库简化了部署和执行，但不便于更新和共享。动态库虽然复杂，但更灵活，节省资源，易于更新，是大多数现代应用程序的选择。在使用动态库时，开发者需要了解如何创建、链接和管理这些库，以便充分利用其优势。