Day.5 深入理解连结之Object file

目标文件格式 (Object file)

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以文件的方式放在磁碟(Disk)中的 Object module 有三种形式
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• 可重定位目标文件 (Relocatable Object File)
  • 这类文件包含了二进制程序码和数据，其形式可以再编一时与其他可重新店为目标文件合并起来，建立一个可执行的目标文件
• 可执行目标文件 (Executable Object File)
  • 包含二进制程序码和数据，其形式可以直接复制到记忆体并执行
• 共享的目标文件 (Shared Object File)
  • 一种特殊类型的可重定位目标文件，可在执行时期动态连结并载入到主记忆体，也可在载入到记忆体时期，才动态连结此档案
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目标文件格式

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一个程序码Source code档案被Compile後，会依照指令和资料部份分开存到Obj File上不同的Section中。
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• .text, .bss, .data 是一般编译器之预设记忆体区段名称, linker script 会安排实际的记忆体位址给各个区段.
• .text 为唯读区段, 包含 Const string,及Arm 指令程序(程序码)，安置於ROM
• .data 为可读写区段, 放置初值不为 0 的变数 (安置於 RAM中)
  • RAM的内容会在断电、或是系统重置後消失，Reset的程序需从ROM取得data初值(Copy from ROM to RAM)
• .bss 为可读写区段, 放置初值为 0 的变数. Reset的程序.bss 区段会被清为 0
• stack 为堆叠区 一般是呼叫函数时的作业区 (返回位址暂存, 传递参数, 区域变数和返回值之储存区), heap 为堆积区 是呼叫 malloc() 时取得记忆区块的来源.
• symtal 一个符号表，它存放在程序中定义和引用函数和全域变数的讯息
• .rel.text 当Linker 把目标文件和其他文件组合时，需要修改那些 text 的位置(Relocation)，可执行文件中并不需要重新为讯息，因此通常会省略
• rel.date 被程序块引用或定义的所有全域变数的 Relocation 讯息
• .debug 一个除错符号表 只有以 -g 选项调用编译器驱动程序时，才会有这个 section
• .strtab 字串表
• .dynamic 动态连结讯息
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  其他Section(还有很多未被列出)
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符号与符号表

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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。
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还存其他几个不常用到的符号 :
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• 全局符号 : 定义在目标文件的全域符号，可被其他 obj file 使用
• 外部符号 : 你有使用，但是却没有定义在自己的obj file中 如:printf
• 段名 : 这个符号的值就是该section的start address 如 .text .data
• 局部符号 : 像是static variable, 这类的符号对linker来说意义不大，linker往往忽略他们。
• 行号信息 : obj file 指令与原码的对应关系，它是可选的

我们可以使用nm指令来查看符号表

连结器如何解析多重定义的全局符号?
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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 :

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

Example (规则二)

/* foo3.c */
#include <stdio.h>
void f(void);

int x = 15213; // Strong Symbol

int main(){
    f();
    printf("x = %d\n", x);
    return 0;
}
/* bar3.c */
int x; // Weak Symbol

void f(){
    x = 15212
}

$ gcc -o foobar3 foo3.c bar3.c
$ ./foobar3
x = 15212

在运行时，函数 f 将 x 的值由15212改为15212,因为连结器将选择定义中的 strong symbol

参考文献

程序员的自我修养-linker
深入理解计算机系统-linker