Day.5 深入理解连结之符号解析

在上一篇文章中，我们熟悉了可重定位文件和可执行文件，我们继续学习连节操作的具体步骤---「符号解析」

符号与符号表

连结的过程就是把多个不同的 obj file 相互"黏"在一起，为了使不同的 obj file 能够相互黏合，必须有固定的规则才行，才能避免连结的过程中不同变数和函数之间的混淆，在连结中，我们将函数很变数称为符号(Symbol)，连结过程中很关键的一个部份就是符号的管理，每一个 obj file 都会有一个相对应的符号表(Symbol Tabel) ，记录着目标文件中所用到的所有符号，每个定义的符号都有一个对应值，称为Symbol Value，对於variable和functoin来说，Symbol Value指的就是他们的地址。

符号解析到底做了什麽?

• 程序中有定义和引用的符号(包括函数与变数)
• 编译器将定义的符号放在符号表中
  • 符号表是一个资料结构
  • 每个表象包含符号名、长度位置等讯息
• 连结器将每个符号的引用与每一个确定的符号建立关联

下面将使用一个具体的例子介绍符号的类型:

// main.c
int buf[2] = {1, 2};
void swap();


int main() {
    swap();
    return 0;
}

// swap.c
extern int buf[];
int *bufp0 = &buf[0];

static int *bufp1;

void swap() {
    int temp;
    bufp1 = &buf[1];
    temp = *bufp0;
    *bufp0 = *bufp1;
    *bufp1 = temp;
 }

• 全局符号 (Global symbols) :

  • 定义在目标文件的全域符号，可被其他 obj file 使用。像是是非 static C函数和非 static 的C全局变数，如：main中的buf。

• 外部符号 (External symbols):

  • 你有使用，但是却没有定义在自己的obj file中 如：printf或是 main.c 中的函数名 swap

• 局部符号 (Local symbols):

  • 仅由此 module中 定义和引用的符号，像是static variable, 这类的符号对linker来说意义不大，linker往往忽略他们，如：swap.c 中的 bufp1。

※函数中的区域变数比如 temp 是存在 stack 中的，编译器管不到。

如何查看Obj file 中的符号?

首先通过命令
$ gcc -c main.c -o main.o 在通过
$ readelf -s main.o 看符号表:

• ‎buf 是属於第 3（Ndx）节，OBJECT 物件，全域作用域，大小 8位元组。‎
• ‎swap 不知道是哪个节的，不知道什麽类型，没有定义的符号（UND），全域作用域‎
• ‎main 第 1 节（.text）函数物件，大小 25 位元组。‎

连结器如何解析多重定义的全局符号?

在编译阶段， Compiler 会将每个 symbol 分类为 strong 或 weak

• Strong Symbol ： 包含 procedures 和被初始化过的全域变数。
• Weak Symbol ： 未被初始化的全域变数。

Linker 利用以下列规则来决定如何做 Linking :

• 同时存在多个同名 strong symbol 是不允许的。
• 假设有一个 strong symbol 与多个 weak symbol ， Linker 应选择 strong symbol。
• 如果只有多个 weak symbol 同名 ，任意选择其中一个。

举一个例子(规则二)

/* foo4.c */
#include <stdio.h>
void f(void);

int x ; // Weak Symbol

int main(){
    f();
    printf("x = %d\n", x);
    return 0;
}
/* bar4.c */
int x; // Weak Symbol

void f(){
    x = 15212
}

foo4.c x 被弱定义一次，bar4.c x 也被弱定义一次，因此会任意选择一个定义，造成难以察觉的错误。

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参考资料

深入理解计算机系统
程序设计师的自我修养