第4章静态链接

chuanwang66

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链接、装载与库

静态链接

一、空间与地址分配

这里的“空间和地址”有两个含义：第一，在输出的可执行文件ab.o中的空间；第二，是在装载后的虚拟地址中的虚拟地址空间。

现在的链接器的策略基本上都是：将a.o和b.o中相似段合并（如.text和.text段合并），然后再分配空间（ab文件中分配空间基本上是两个.text段加起来的大小；类似地，在虚拟地址空间中也去指定一段空间）。见P102图

实验：观察静态链接过程的“空间和地址分配”：

1. 将a.o和b.o链接成ab.o

两个源代码文件：

/*a.c*/
extern int shared;
int main(){
    int a=100;
    swap(&a, &shared);
}

和

/*b.c*/
int shared =1 ;
void swap(int *a, int* b){
    *a^=*b^=*a^=*b;
}

$gcc -c a.c b.c ==> 使用-c参数只完成预处理、编译、汇编，（不链接），产生a.o和b.o

$ld a.o b.o -e main -o ab ==> 链接a.o和b.o，指定main()作为程序入口（默认入口是_start），指定输出ab

2. 观察“空间和地址分配情况”

$ readelf -S a.o 或 objdump -h a.o

$ readelf -S b.o 或 objdump -h b.o

$ readelf -S ab 或 objdump -h ab

二、符号解析与重定位

上面虽然解决了地址和空间的分配，但是对于a.o目标文件引用到b.o中“变量shared”和"函数swap"的问题还为解决。每个目标文件都可能定义一些符号，也可能引用到其他目标文件的符号，输入链接器的目标文件的符号表会组成一个“全局符号表”；在“符号解析”的过程中找到了一些在a.o中未定义、引用其他目标文件中定义的符号；而将a.o中这些未定义的符号的占位符（目标文件中某些偏移处），修改为正确的符号变量地址/函数入口地址（注：也是“虚拟地址空间中的地址”），进而产生可执行文件ab的过程，称为“指令修正/重定位”。

实验：符号解析和指令修正

1. 通过查看a.o的重定位段（又称为“重定位表”），可以找到未定义的符号。这些符号必须通过ld链接从其他模块获取，否则报错：一般地，UND这种未定义的符号都是因为该目标文件中有关于它们的重定位项，所以在链接器扫描完所有的输入目标文件之后，所有这些未定义的符号都应该能够在全局符号表中找到，否则链接器就会报“符号未定义”错。

[hadoop@sam1 mydir]$ readelf -s a.o

Symbol table '.symtab' contains 10 entries:

Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name

0: 00000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND

1: 00000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS a.c

2: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1

3: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3

4: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4

5: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6

6: 00000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5

7: 00000000 39 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main

8: 00000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND shared

9: 00000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND swap

2. 反汇编a.o和ab，可以看到指令修正的痕迹。

[hadoop@sam1 mydir]$ objdump -r a.o ==> 查看“重定位表”（即“重定位段”），可知文件a.o中分别偏移0x15和0x21两个位置的4个字节需要“重定位”（或称“符号修正”）。

a.o: file format elf32-i386

RELOCATION RECORDS FOR [.text]:

OFFSET TYPE VALUE

00000015 R_386_32 shared ==> 每个需要重定位之处（目标文件中某个偏移）叫“重定位入口”

00000021 R_386_PC32 swap

Sam: 从上面可以看到重定位表的结构：一个需要重定位的section对应有一个重定位段；是一个数组，每一个元素记录的是某个偏移处需要被重定位的变量（函数）名称。

[hadoop@sam1 mydir]$ objdump -d a.o

a.o: file format elf32-i386

Disassembly of section .text:

00000000 <main>:

0: 55 push %ebp

1: 89 e5 mov %esp,%ebp

3: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp

6: 83 ec 20 sub $0x20,%esp

9: c7 44 24 1c 64 00 00 movl $0x64,0x1c(%esp)

10: 00

11: c7 44 24 04 00 00 00 movl $0x0,0x4(%esp)

18: 00

19: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax

1d: 89 04 24 mov %eax,(%esp)

20: e8 fc ff ff ff call 21 <main+0x21>

25: c9 leave

26: c3 ret

[hadoop@sam1 mydir]$ objdump -d ab

ab: file format elf32-i386

Disassembly of section .text:

08048094 <main>:

8048094: 55 push %ebp

8048095: 89 e5 mov %esp,%ebp

8048097: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp

804809a: 83 ec 20 sub $0x20,%esp

804809d: c7 44 24 1c 64 00 00 movl $0x64,0x1c(%esp)

80480a4: 00 ==> 这里4个字节本类被修正为“shared的地址” （P109 “绝对近址32位寻址”方式，重定位入口修正）

80480a5: c7 44 24 04 f8 90 04 movl $0x80490f8,0x4(%esp)

80480ac: 08

80480ad: 8d 44 24 1c lea 0x1c(%esp),%eax

80480b1: 89 04 24 mov %eax,(%esp)

80480b4: e8 03 00 00 00 call 80480bc <swap> ==> 这里4个字节被修正为“swap的入口地址”（P109 “相对近址32位寻址”方式，重定位入口修正）

80480b9: c9 leave

80480ba: c3 ret

80480bb: 90 nop

080480bc <swap>:

80480bc: 55 push %ebp

80480bd: 89 e5 mov %esp,%ebp

80480bf: 53 push %ebx

80480c0: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax

80480c3: 8b 10 mov (%eax),%edx

80480c5: 8b 45 0c mov 0xc(%ebp),%eax

80480c8: 8b 08 mov (%eax),%ecx

80480ca: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax

80480cd: 8b 18 mov (%eax),%ebx

80480cf: 8b 45 0c mov 0xc(%ebp),%eax

80480d2: 8b 00 mov (%eax),%eax

80480d4: 31 c3 xor %eax,%ebx

80480d6: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax

80480d9: 89 18 mov %ebx,(%eax)

80480db: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax

80480de: 8b 00 mov (%eax),%eax

80480e0: 31 c1 xor %eax,%ecx

80480e2: 8b 45 0c mov 0xc(%ebp),%eax

80480e5: 89 08 mov %ecx,(%eax)

80480e7: 8b 45 0c mov 0xc(%ebp),%eax

80480ea: 8b 00 mov (%eax),%eax

80480ec: 31 c2 xor %eax,%edx

80480ee: 8b 45 08 mov 0x8(%ebp),%eax

80480f1: 89 10 mov %edx,(%eax)

80480f3: 5b pop %ebx

80480f4: 5d pop %ebp

80480f5: c3 ret

注：对于32位x86平台的ELF文件的重定位入口修正的指令寻址方式只有以上两种。这两种方式每个被修正的位置的长度都是4个字节。

三、COMMON块 （P112）

(1)编译为目标文件时，未初始化的局部静态变量就在.bss段中分配空间了；

(2)编译为目标文件时，未初始化的全局变量是弱符号，占用空间大小未知（因为其他编译单元中所占用的空间可能比本编译单元所占空间要大，最终分配空间取最大的一个），因此暂时标记为common；当链接器读取所有输入目标文件之后，才能最终确定在.bss段中分配的空间——因此，最终还是被要在.bss段中分配空间的。

实验：链接之前，未初始化的全局变量尚未放在.bss段中（而是被标记为COMMON）

C代码test.c

int printf(const char* format, ...);

int global_init_var=84;                 //.data
int global_uninit_var;                  //COM, 可能在别的文件中被定义

static int static_global_init_var=84;   //.data
static int static_global_uninit_var;    //.bss, 只在本文件中被用到

void func1(int i){
    printf("%d\n",i);
}

int main(void){
    static int static_var=85;           //.data
    static int static_var2;             //.bss, 只在本文件中被用到

    int a=1;                    //stack
    int b;                      //stack

    func1(static_var + static_var2 + a + b);
    return a;
}

$ gcc -c test.c -o test.o
$ readelf -s test.o
Symbol table '.symtab' contains 18 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL DEFAULT ABS test.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    1
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    3
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    4
     5: 0000000000000004     4 OBJECT LOCAL DEFAULT    3 static_global_init_var
     6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    5
     7: 0000000000000008     4 OBJECT LOCAL DEFAULT    3 static_var.0
     8: 0000000000000000     4 OBJECT LOCAL DEFAULT    4 static_var2.1
     9: 0000000000000004     4 OBJECT LOCAL DEFAULT    4 static_global_uninit_var
    10: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    6
    11: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    8
    12: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    9
    13: 0000000000000000     4 OBJECT GLOBAL DEFAULT    3 global_init_var
    14: 0000000000000000    31 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 func1
    15: 0000000000000000     0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf
    16: 000000000000001f    45 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
    17: 0000000000000004     4 OBJECT GLOBAL DEFAULT COM global_uninit_var

四、C++相关问题 （略，P113~）

五、静态库链接

一种语言的开发环境往往附带自己的“语言库”(Language Library)，这些库是对操作系统API的封装。如C语言标准库中的printf()函数，最终会调用Linux下的write系统调用/或Windows下的WriteConsole系统API.

一个静态（链接）库可以简单看作是一组目标文件经过压缩打包形成的一个文件。

Linux中最常用的C语言静态库libc是/usr/lib/libc.a （属于glibc项目一部分，貌似要安装才行）， C语言集成开发环境VC2008附带的一些C运行库则放在$VC2008/lib/下。

六、链接过程控制

$ld -verbose ==> 查看ld默认链接脚本

实验：使用自己的ld链接脚本——将三个Section合并到一个名为"tinytext"的Section，并抛弃.comment段

C程序TinyHelloWorld.c

char* str = "Hello world\n";

void print()
{	//使用write的系统调用， write的调用号为4，原型为int write(int filedesc, char* buffer, int size)
	//这里的系统调用，先将参数写入寄存器，之后传入write调用
	asm(
	"movl $13, %%edx \n\t"		//str的长度
	"movl %0, %%ecx \n\t"           //缓冲区，这里的％0，指的是“r”后面的字符串地址，也就是传入到这段汇编的参数。
	"movl $0, %%ebx \n\t"		//打印到标准输出， 也就是0
	"movl $4, %%eax	\n\t"		//将系统调用号传入eax。 
	"int $0x80		\n\t"	//执行中断， 调用write函数
	::"r" (str):"edx","ecx", "ebx"	//传入的参数列表， 被重命名的寄存器列表。
	);
}

void exit()
{
	asm(
		"movl $42,%ebx \n\t "			
		"movl $1, %eax \n\t"
		"int $0x80		\n\t"
	);
}
//这里是程序的入口
void nomain()
{
	print();	
	exit();
}

ld链接脚本TinyHelloWorld.lds

ENTRY(nomain)
SECTIONS
{
. = 0x00008000 + SIZEOF_HEADERS;
tinytext : { *(.text) *(.data) *(.rodata) }
/DISCARD/ : { *(.comment) }
}

[hadoop@sam1 test]$ gcc -c -fno-builtin TinyHelloWorld.c

-c: 预处理、编译、汇编到.o文件，不链接

-fno-builtin：关闭GCC内置函数优化

[hadoop@sam1 test]$ ld -static -T TinyHelloWorld.lds -o TinyHelloWorld TinyHelloWorld.o

-static：使用静态链接，而非动态链接

[hadoop@sam1 test]$ ls -l

-rwxrwxr-x 1 hadoop hadoop 604 Jan 21 23:38 TinyHelloWorld

-rw-rw-r-- 1 hadoop hadoop 870 Jan 21 23:37 TinyHelloWorld.c

-rw-rw-r-- 1 hadoop hadoop 132 Jan 21 23:37 TinyHelloWorld.lds

-rw-rw-r-- 1 hadoop hadoop 1008 Jan 21 23:38 TinyHelloWorld.o

[hadoop@sam1 test]$ readelf -S TinyHelloWorld

There are 5 section headers, starting at offset 0xec:

Section Headers:

[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al

[ 0] NULL 00000000 000000 000000 00 0 0 0

[ 1] tinytext PROGBITS 00008074 000074 000051 00 WAX 0 0 4

[ 2] .shstrtab STRTAB 00000000 0000c5 000024 00 0 0 1

[ 3] .symtab SYMTAB 00000000 0001b4 000080 10 4 4 4

[ 4] .strtab STRTAB 00000000 000234 000028 00 0 0 1

Key to Flags:

W (write), A (alloc), X (execute), M (merge), S (strings)

I (info), L (link order), G (group), T (TLS), E (exclude), x (unknown)

O (extra OS processing required) o (OS specific), p (processor specific)

七、BFD库

BFD库(Binary File Descriptor library)是一个GNU项目，他的目标是通过一种统一的接口处理不同格式的目标文件，需要安装binutils-dev。

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第6章可执行文件的装载与执行 | 第3章目标文件(ELF格式)

2013-01-20 14:40
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