到底什么是鏈接，它起到了什么作用？

來源：網(wǎng)絡(luò)素材

整理：李肖遙

幾十年以前，計(jì)算機(jī)剛剛誕生，人們編寫程序時(shí)，將所有的代碼都寫在同一個(gè)源文件中，經(jīng)過長(zhǎng)期的積累，程序包含了數(shù)百萬行的代碼，以至于人們無法維護(hù)這個(gè)程序了。于是人們開始尋找新的方法，迫切地希望將程序源代碼分散到多個(gè)文件中，一個(gè)文件一個(gè)模塊，以便更好地閱讀和維護(hù)，這個(gè)時(shí)候，鏈接器就粉墨登場(chǎng)了。

一切都是地址

我們知道，數(shù)據(jù)是保存在內(nèi)存中的，對(duì)于計(jì)算機(jī)硬件來說，必須知道它的地址才能使用。變量名、函數(shù)名等僅僅是地址的一種助記符，目的是在編程時(shí)更加方便地使用數(shù)據(jù)，當(dāng)源文件被編譯成可執(zhí)行文件后，這些標(biāo)識(shí)符都不存在了，它們被替換成了數(shù)據(jù)的地址。

假設(shè)變量 a、b、c 的地址分別為 0X1000、0X1004、0X1008，加法運(yùn)算的機(jī)器指令為 1010，賦值運(yùn)算的機(jī)器指令為 1110，那么在C語言中實(shí)現(xiàn)加法運(yùn)算的代碼為：

c = a + b;

生成可執(zhí)行文件后的機(jī)器碼為：

1010 ?0X1000 ?0X1004 ?//將兩個(gè)數(shù)據(jù)相加的值保存在一個(gè)臨時(shí)區(qū)域
1110 ?0X1008 ?//將臨時(shí)區(qū)域中的數(shù)據(jù)復(fù)制到地址為0X1008的內(nèi)存中

編譯器和鏈接器的一項(xiàng)重要任務(wù)就是將助記符替換成地址。

匯編語言的誕生

任何程序的執(zhí)行，最終都要依靠計(jì)算機(jī)硬件來完成。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)硬件都是大規(guī)模集成電路，它只認(rèn)識(shí)高低兩個(gè)電平（電壓），高電平一般為 5V，用1表示，低電平一般為 0V，用0表示。也就是說，在計(jì)算機(jī)底層，沒有文字、數(shù)字、圖像、視頻等豐富多彩的可視化元素，只有 0 和 1 兩個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，這就是機(jī)器語言。

計(jì)算機(jī)剛剛誕生的時(shí)候沒有編程語言，人們直接使用機(jī)器語言（二進(jìn)制）編程。現(xiàn)在假設(shè)有一種跳轉(zhuǎn)指令，它的二進(jìn)制形式為 0001，如果需要執(zhí)行地址為 1010 的代碼，那么可以這樣寫：

0001 ?1010

所謂跳轉(zhuǎn)，就是在執(zhí)行當(dāng)前代碼塊時(shí)轉(zhuǎn)而執(zhí)行其他的代碼塊。從本質(zhì)上講，C語言中的函數(shù)就是一個(gè)代碼塊，當(dāng)發(fā)生函數(shù)調(diào)用時(shí)，就會(huì)執(zhí)行其他的代碼塊，這個(gè)過程就是通過跳轉(zhuǎn)指令來完成的。

那么現(xiàn)在問題來了，程序并不是一寫好就永遠(yuǎn)不變化的，它可能會(huì)經(jīng)常被修改。比如我們?cè)诘刂?1010 之前插入了其他指令，那么原來的代碼就得往后移動(dòng)，上面的跳轉(zhuǎn)指令的跳轉(zhuǎn)地址也得相應(yīng)地調(diào)整。

在這個(gè)過程中，程序員需要人工重新計(jì)算每個(gè)子程序或者跳轉(zhuǎn)的目標(biāo)地址，這種重新計(jì)算各個(gè)目標(biāo)地址的過程叫做重定位（Relocation）。每次程序修改時(shí)，這些位置都要重新計(jì)算，十分繁瑣又耗時(shí)，并且很容易出錯(cuò)。

如果程序包含了多個(gè)源文件，就很可能會(huì)有跨文件的跳轉(zhuǎn)，這種人工重定位的方式在程序擁有多個(gè)模塊時(shí)會(huì)導(dǎo)致更加嚴(yán)重的問題。

沒辦法，這種黑暗的程序員生活是沒辦法容忍的，于是先驅(qū)們發(fā)明了匯編語言（Assembly），這相比機(jī)器語言來說是個(gè)很大的進(jìn)步。

匯編語言使用接近人類的各種符號(hào)和標(biāo)記來幫助記憶，比如用jmp表示跳轉(zhuǎn)指令，用func表示一個(gè)子程序（C語言中的函數(shù)就是一個(gè)子程序）的起始地址，這種符號(hào)的方法使得人們從具體的機(jī)器指令和二進(jìn)制地址中解放出來。

將上面的機(jī)器指令使用匯編代碼來書寫：

jmp func

這樣，不管在 func 之前增加或者減少了多少條指令導(dǎo)致 func 的地址發(fā)生了變化，匯編器在每次匯編程序的時(shí)候會(huì)重新計(jì)算 func 這個(gè)符號(hào)的地址，然后把所有使用到 func 的地方修正為新的地址，整個(gè)過程不需要人工參與。對(duì)于一個(gè)有成千上百個(gè)類似的符號(hào)的程序，人們終于擺脫了這種低級(jí)的繁瑣的計(jì)算地址的工作，用一句政治口號(hào)來說就是“極大地解放了生產(chǎn)力”。

符號(hào)（Symbol）這個(gè)概念隨著匯編語言的普及被廣泛接受，它用來表示一個(gè)地址，這個(gè)地址可能是一段子程序（后來發(fā)展為函數(shù)）的起始地址，也可以是一個(gè)變量的地址。

C語言的誕生

匯編語言的主要作用是為機(jī)器指令提供了助記符，大部分匯編代碼和機(jī)器指令是一一對(duì)應(yīng)的，這在匯編被發(fā)明的初期確實(shí)令程序員非常欣喜。

后來隨著軟件規(guī)模的日漸龐大，代碼量開始瘋長(zhǎng)，匯編語言的缺點(diǎn)逐漸暴露出來。匯編雖然提供了多種符號(hào)，但它依然非常接近計(jì)算機(jī)硬件，程序員要考慮很多細(xì)節(jié)問題和邊界問題，并且不利于模塊化開發(fā)，所以后來人們發(fā)明了C語言。

C語言是比匯編更加高級(jí)的編程語言，極大地提高了開發(fā)效率，以加法為例，C語言只需要一條語句，匯編卻需要四五條。

模塊化開發(fā)

現(xiàn)代軟件的規(guī)模往往都很大，動(dòng)輒數(shù)百萬行代碼，程序員需要把它們分散到成百上千個(gè)模塊中。這些模塊之間相互依賴又相互獨(dú)立，原則上每個(gè)模塊都可以單獨(dú)開發(fā)、編譯、測(cè)試，改變一個(gè)模塊中的代碼不需要編譯整個(gè)程序。

在C語言中，一個(gè)模塊可以認(rèn)為是一個(gè)源文件（.c 文件）。

在程序被分隔成多個(gè)模塊后，需要解決的一個(gè)重要問題是如何將這些模塊組合成一個(gè)單一的可執(zhí)行程序。在C語言中，模塊之間的依賴關(guān)系主要有兩種：一種是模塊間的函數(shù)調(diào)用，另外一種是模塊間的變量訪問。

函數(shù)調(diào)用需要知道函數(shù)的首地址，變量訪問需要知道變量的地址，所以這兩種方式可以歸結(jié)為一種，那就是模塊間的符號(hào)引用。

模塊間依靠符號(hào)來“通信”類似于拼圖版，定義符號(hào)的模塊多出一個(gè)區(qū)域，引用符號(hào)的模塊剛好少了那一塊區(qū)域，兩者剛好完美組合。如下圖所示：

這種通過符號(hào)將多個(gè)模塊拼接為一個(gè)獨(dú)立的程序的過程就叫做鏈接（Linking）。

關(guān)注我的微信公眾號(hào)，回復(fù)“加群”按規(guī)則加入技術(shù)交流群。

關(guān)注程序員編程基地，回復(fù)“pdf”獲取程序員必讀經(jīng)典書單，一起編程一起進(jìn)階。

點(diǎn)擊“閱讀原文”查看更多分享，歡迎點(diǎn)分享、收藏、點(diǎn)贊、在看。