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對于靜態(tài)鏈接先提出兩個問題：

每個目標(biāo)文件都有好多個段，目標(biāo)文件在被鏈接成可執(zhí)行文件時，輸入目標(biāo)文件中的各個段如何被合并到輸出文件？

合并相似的段，將所有的.text段合并到輸出文件的.text段，將所有的.data段合并到輸出文件的.data段。

鏈接器如何為他們分配在輸出文件中的空間和地址？

這里涉及到程序鏈接的兩個步驟：

空間與地址分配：掃描所有的輸入目標(biāo)文件，獲得它們每個段的長度屬性和位置，收集輸入目標(biāo)文件中的符號表中的所有符號定義和符號引用，統(tǒng)一放到一個全局符號表中，合并所有的段，計算出輸出文件中各個段合并后的長度和位置，并建立映射關(guān)系。
符號解析與重定位：使用第一步收集到的所有信息，讀取輸入文件中段的數(shù)據(jù)及重定位信息，進行符號解析和重定位，調(diào)整代碼中的地址，將每個段中需要重定位的指令和數(shù)據(jù)進行“修補”，使他們都指向正確的位置。

Tips：

外部符號指的是目標(biāo)文件需要引用的符號，但是定義在其它目標(biāo)文件中，鏈接前外部符號地址都是000000之類，鏈接后的可執(zhí)行文件就可以看見這些外部符號都是有地址的。鏈接就是把相似的段放在一起，先找到段的偏移地址，再找出符號在段中的偏移，這樣可以確定符號在整個可執(zhí)行程序中的地址。

對于那些需要重定位的符號，都會放在重定位表里，也叫重定位段，即.rel.data、.rel.text等，如果.text段有被重定位的地方，就有.rel.text段，如果.data段有被重定位的地方，就有.rel.data段。

可以使用objdump查看目標(biāo)文件的重定位表。

源代碼：

int main() {    printf("程序喵\n");    return 0;}gcc -c test

objdump -r test.o
test.o:     file format elf64-x86-64
RELOCATION RECORDS FOR [.text]:OFFSET           TYPE              VALUE0000000000000007 R_X86_64_PC32     .rodata-0x0000000000000004000000000000000c R_X86_64_PLT32    puts-0x0000000000000004

RELOCATION RECORDS FOR [.eh_frame]:OFFSET           TYPE              VALUE0000000000000020 R_X86_64_PC32     .text

使用nm也可以查看需要重定位的符號：

nm -u test.o                 U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_                 U puts

對于UND類型，這種未定義的符號都是因為該目標(biāo)文件中有關(guān)于他們的重定位項，在鏈接器掃描完所有的輸入目標(biāo)文件后，所有這種未定義的符號都應(yīng)該能在全局符號表中找到，否則報符號未定義錯誤。

注意：我們代碼里明明用的是printf，為什么它卻引用了puts的符號呢，因為編譯器默認(rèn)情況下會把只用一個字符串參數(shù)的printf替換成puts，可以節(jié)省格式解析的時間，使用-fno-builtin會關(guān)閉這個內(nèi)置函數(shù)優(yōu)化選項，如下：

~/test$ gcc -c -fno-builtin testlink.cc -o test.o~/test$ nm test.o                 U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_0000000000000000 T main                 U printf

Tips：

現(xiàn)在的程序和庫通常來講都很大，一個目標(biāo)文件可能包含成百上千個函數(shù)或變量，當(dāng)需要用到某個目標(biāo)文件的任意一個函數(shù)或變量時，就需要把它整個目標(biāo)文件都鏈接進來，也就是說那些沒有用到的函數(shù)也會被鏈接進去，這會導(dǎo)致鏈接輸出文件變的很大，造成空間浪費。

有一個編譯選項叫函數(shù)級別鏈接，可以使得某個函數(shù)或變量單獨保存在一個段里面，都鏈接器需要用到某個函數(shù)時，就將它合并到輸出文件中，對于沒用到的函數(shù)則將他們拋棄，減少空間浪費，但這會減慢編譯和鏈接過程，GCC編譯器的編譯選項是：

-ffunction-sections-fdata-sections

可能很多人都會以為程序都是由main函數(shù)開始執(zhí)行和結(jié)束的，但其實不是，在main函數(shù)調(diào)用之前，為了保證程序可以順利進行，要先初始化進程執(zhí)行環(huán)境，如堆分配初始化、線程子系統(tǒng)等，C++的全局對象構(gòu)造函數(shù)也是這一時期被執(zhí)行的，全局析構(gòu)函數(shù)是main之后執(zhí)行的。

Linux一般程序的入口是__start函數(shù)，程序有兩個相關(guān)的段：

init段：進程的初始化代碼，一個程序開始運行時，在main函數(shù)調(diào)用之前，會先運行.init段中的代碼。
fini段：進程終止代碼，當(dāng)main函數(shù)正常退出后，glibc會安排執(zhí)行該段代碼。

如何指定程序入口

在ld鏈接過程中使用-e參數(shù)可以指定程序入口，由于一段簡短的printf函數(shù)其實都依賴了好多個鏈接庫，我們也不太方便使用鏈接腳本將目標(biāo)文件與所有這些依賴庫進行鏈接，所以使用下面這段內(nèi)嵌匯編的程序來打印一段字符串，這段程序不依賴任何鏈接庫就可以打印出字符串內(nèi)容，讀者如果不懂其中的含義也不用擔(dān)心，只需要了解下面介紹的鏈接知識就好。

代碼如下：

const char* str = "hello";
void print() {    asm("movl $13,%%edx \n\t"        "movl str,%%ecx \n\t"        "movl $0,%%ebx \n\t"        "movl $4,%%eax \n\t"        "int $0x80 \n\t"        :        :"r"(str):"edx", "ecx", "ebx");}

void exit() {    asm("movl $42,%ebx \n\t"        "movl $1,%eax \n\t"        "int $0x80 \n\t");}
void nomain() {    print();    exit();}

使用如下命令生成目標(biāo)文件：

gcc -c -fno-builtin test.cc

看下輸出的test.o的符號：

~/test$ nm -a test.o0000000000000000 b .bss0000000000000000 n .comment0000000000000000 d .data0000000000000000 d .data.rel.local0000000000000000 r .eh_frame0000000000000000 n .note.GNU-stack0000000000000000 r .rodata0000000000000000 t .text0000000000000026 T _Z4exitv0000000000000000 T _Z5printv0000000000000039 T _Z6nomainv0000000000000000 D str0000000000000000 a test.cc

這里由于我的源文件是.cc結(jié)尾，所以是以c++方式編譯的，所以符號變成了上面的形式，如果變成了test.c，符號如下：

~/test$ gcc -c -fno-builtin test.c -o test.o~/test$ nm -a test.o0000000000000000 b .bss0000000000000000 n .comment0000000000000000 d .data0000000000000000 d .data.rel.local0000000000000000 r .eh_frame0000000000000000 n .note.GNU-stack0000000000000000 r .rodata0000000000000000 t .text0000000000000026 T exit0000000000000039 T nomain0000000000000000 T print0000000000000000 D str0000000000000000 a test.c

再使用-e指定入口函數(shù)符號：

~/test$ ld -static -e nomain -o test test.o~/test$ ./testhello

如何使用自定義鏈接腳本實現(xiàn)自定義段的功能
在ld鏈接過程中使用-T參數(shù)可以指定鏈接腳本，通過ld -verbose可以查看默認(rèn)的鏈接腳本，原文太長，這里簡單截取了一部分：

$ ld -verboseGNU ld (GNU Binutils for Ubuntu) 2.30  Supported emulations:   elf_x86_64   elf32_x86_64   elf_i386   elf_iamcu   i386linux   elf_l1om   elf_k1om   i386pep   i386peusing internal linker script:==================================================/* Script for -z combreloc: combine and sort reloc sections *//* Copyright (C) 2014-2018 Free Software Foundation, Inc.   Copying and distribution of this script, with or without modification,   are permitted in any medium without royalty provided the copyright   notice and this notice are preserved.  */OUTPUT_FORMAT("elf64-x86-64", "elf64-x86-64",              "elf64-x86-64")OUTPUT_ARCH(i386:x86-64)ENTRY(_start)SEARCH_DIR("=/usr/local/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu"); SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu64"); SEARCH_DIR("=/usr/local/lib64"); SEARCH_DIR("=/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/local/lib"); SEARCH_DIR("=/lib"); SEARCH_DIR("=/usr/lib"); SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib64"); SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib");SECTIONS{  /* Read-only sections, merged into text segment: */  PROVIDE (__executable_start = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000)); . = SEGMENT_START("text-segment", 0x400000) + SIZEOF_HEADERS;
  .init           :  {    KEEP (*(SORT_NONE(.init)))  }  .plt            : { *(.plt) *(.iplt) }  .plt.got        : { *(.plt.got) }  .plt.sec        : { *(.plt.sec) }  .text           :  {    *(.text.unlikely .text.*_unlikely .text.unlikely.*)    *(.text.exit .text.exit.*)    *(.text.startup .text.startup.*)    *(.text.hot .text.hot.*)    *(.text .stub .text.* .gnu.linkonce.t.*)    /* .gnu.warning sections are handled specially by elf32.em.  */    *(.gnu.warning)  }  .fini           :  {    KEEP (*(SORT_NONE(.fini)))  }  .rodata         : { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*) }  /DISCARD/ : { *(.note.GNU-stack) *(.gnu_debuglink) *(.gnu.lto_*) }}

這里自定義一個簡單的鏈接腳本test.lds

ENTRY(nomain)
SECTIONS{    . = 0x8048000 + SIZEOF_HEADERS;    tinytext : { *(.text) *(.data) *(.rodata) }    /DISCARD/ : { *(.comment) }}

再使用-T指定鏈接腳本：

~/test$ ld -static -T test.lds -e nomain -o test test.o~/test$ ./testhello

上面的tinytext一行是指將.text段、.data段、.rodata段的內(nèi)容都合并到tinytext段中，使用readelf查看段的信息。

~/test$ readelf -S test~/test$ There are 6 section headers, starting at offset 0x482a0:
Section Headers:  [Nr] Name              Type             Address           Offset       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0  [ 1] .eh_frame         PROGBITS         00000000080480b0  000480b0       0000000000000078  0000000000000000   A       0     0     8  [ 2] tinytext          PROGBITS         0000000008048128  00048128       0000000000000066  0000000000000000 WAX       0     0     8  [ 3] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  0004826e       000000000000002e  0000000000000000           0     0     1  [ 4] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00048190       00000000000000c0  0000000000000018           5     4     8  [ 5] .strtab           STRTAB           0000000000000000  00048250       000000000000001e  0000000000000000           0     0     1Key to Flags:  W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings), l (large)  I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)  O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

工具小貼士

關(guān)于靜態(tài)鏈接庫：

ar rcs libxxx.a xx1.o xx2.o 打包靜態(tài)鏈接庫ar -t libc.a 查看靜態(tài)鏈接庫里都有什么目標(biāo)文件ar -x libc.a 會解壓所有的目標(biāo)文件到當(dāng)前目錄gcc --verbose 可以查看整個編譯鏈接步驟

關(guān)于objdump：

objdump -i 查看本機目標(biāo)架構(gòu)objdump -f 顯示文件頭信息objdump -d 反匯編程序objdump -t 顯示符號表入口，每個目標(biāo)文件都有什么符號objdump -r 顯示文件的重定位入口，重定位表objdump -x 顯示所有可用的頭信息，等于-a -f -h -r -tobjdump -H 幫助

關(guān)于分析ELF文件格式：

readelf -h 列出文件頭readelf -S 列出每個段readelf -r 列出重定位表readelf -d 列出動態(tài)段

關(guān)于查看目標(biāo)文件符號信息：

nm -a 顯示所有的符號nm -D 顯示動態(tài)符號nm -u 僅顯示沒有定義的外部符號nm -defined-only 僅顯示定義的符號

關(guān)于符號的說明：

如果符號類型是小寫的，表明符號是局部符號，大寫表示符號是全局符號。

A：該符號的值是絕對的，在以后的鏈接過程中，不允許進行改變。這樣的符號值，常常出現(xiàn)在中斷向量表中，例如用符號來表示各個中斷向量函數(shù)在中斷向量表中的位置。
B：該符號的值出現(xiàn)在.bss段中，未初始化的全局和靜態(tài)變量。
C：該符號的值在COMMON段中，里面的都是弱符號。
D：該符號位于數(shù)據(jù)段中。
I：該符號對另一個符號的間接引用
N：debug符號
R：該符號位于只讀數(shù)據(jù)區(qū)
T：該符號位于代碼段
U：該符號在當(dāng)前文件未定義，定義在別的文件中
?：該符號類型沒有定義

參考資料

https://linuxtools-rst.readthedocs.io/zh_CN/latest/tool/

《程序員的自我修養(yǎng)》

程序一定要從main函數(shù)開始運行嗎？

程序一定要從main函數(shù)開始運行嗎？