《程序员的自我修养》阅读笔记

【第2部分】静态链接

1 编译过程

1. 预编译
   预编译将源文件和包含的头文件编排成xx.i的预编译文件，主要是将#include的文件内容替换进源文件，并且将宏定义（#define）展开，还有处理预编译指令（#if、#ifdef等）以及删除注释等等。
2. 编译
   简单来说就是将C语言代码转换成汇编代码；
3. 汇编
   汇编器将汇编代码转换成机器码，产出一个xx.o目标文件；
4. 链接
   对目标文件进行编排，组合成可执行文件或者库（目标文件的包）。

2 编辑器的工作流程

词法分析->语法分析->语义分析->源代码优化->目标代码生成和优化。

3 链接——模块的拼接

问题引入：当一个程序被分割成多个模块时，最终如何组成的一个可执行程序？

链接的过程包括：

• 地址和空间分配
• 符号决议（symbol resolution），或符号绑定（symbol binding）
• 重定位（relocation）——给程序中引用某个绝对地址的指令打补丁

链接器会根据指令所引用的符号，找到符号的地址，然后修正指令。

4 目标文件

Linux上，我们统称目标文件和可执行文件为ELF格式的文件，广义上他们几乎是一样的。

ELF文件有以下4大类：

1. Relocatable File —— xx.o
2. Executable File
3. Shared Object File —— .so
4. Core Dump File

目标文件中的段（section）

ELF文件结构

1. 文件头-ELF Header
   可以使用readelf -h xx.o来查看文件头。
2. 段表-Section Header Table
   使用readelf -S来查看ELF文件包含的段。
3. 重定位表-Relocation Table0
   .rel.text和.rel.data，记录重定位信息
4. 字符串表
   把字符串集中起来存放到一个表里，然后通过使用偏移地址来引用字符串（结尾为空字符），包括.strtab（符号名的字符串）和.shstrtab（段名的字符串）

5 静态链接

1 空间与地址分配

扫描所有目标文件，收集所有的符号定义和符号引用，放到全局符号表中；计算出各个文件的各个段在合并后的位置以及长度，建立映射关系。

2 符号解析与重定位

在编译文件时，一些函数是在外部文件中定义的，编译器并不知道它的地址，就暂时将它们的地址设为0，真正的地址计算和修改则留给链接器。

那么链接器如何知道哪些指令中使用的地址需要重定位？这时就轮到重定位表发挥作用了，重定位表记录了每个符号的入口地址在表中的偏移地址。

【第3部分】装载与动态链接

1 装载的方式

1. 覆盖装入：由程序员管理模块何时被加载到内存，该方式已被淘汰
2. 页映射：以页为单元在磁盘和内存之间装载或置换数据

2 进程的启动

1. 创建虚拟地址空间（通过MMU映射到物理内存）
2. 读取可执行文件的文件头，建立虚拟地址空间和可执行文件的映射关系（用于加载可执行文件所在的页到内存）
3. 将CPU指令寄存器设置成可执行文件入口

3 为什么需要动态链接？

• 只使用静态链接，会造成内存和磁盘的浪费；
• 使用静态链接时，如果某个模块更新，那么整个程序都要重新编译；

动态链接：等到程序开始运行时才进行链接。

4 动态链接的基本实现

程序装载时，动态链接器将所需要的动态库装载到进程地址空间，将所有未决议的符号绑定到相应的动态链接库，并进行重定位工作。

为了优化程序装载时进行链接的性能问题，采取了延迟绑定等方法。

用cat /proc/xxxx/maps即可查看某个进程的的虚拟地址空间分布，其中可以看到部分引用的.so动态库所被映射的位置，其中有一个库为ld-x.x.so，这实际上就是linux的动态链接器，进程运行前会先跳转到动态链接器的代码中运行，完成链接工作后再跳转回进程代码运行。

5 位置无关码（PIC）

装载时重定位——把动态库的重定位也推迟到装载时进行。但有一个问题，动态链接库的代码在多个进程间共享，而重定位需要修改其指令，每个进程需要的修改可能不一样（比如跳转的地址不一样），那么就没法共享了。

PIC的基本思想：将指令中需要修改的部分分离出来，放到数据段中，这样指令部分就可以保持不变，而数据段对于每个进程都是有自己的独一份的。

模块间的数据访问：在数据段里建立一个指向外部变量的指针数组，即全局偏移表（Global Offset Table，GOT）。在编译时即确定GOT相对于当前指令的偏移，同时确定GOT中每个地址对应于哪个变量；模块装载时，加载器查找每个变量的实际地址，填充GOT的各个项。

如何区分动态库是否为PIC：readelf -d xx.so | grep TEXTREL，如果输出为空，则不是PIC。so库必须是PIC才能真正实现共享。

6 显式运行时链接（Explicit Run-time Linking）

或者叫运行时加载，即程序运行时自己指定加载的模块，且可以在不需要时将模块卸载。这可以用来实现插件、驱动等。程序可以通过4个API对动态库进行操作：

• dlopen()：加载动态库到进程地址空间
• dlsym()：找到所需的符号所在的地址
• dlclose()：卸载模块
• dlerror()：调用上面3个函数后，可以通过调用该函数判断前者调用是否成功