读CSAPP之链接器、目标文件和ELF

今年是离开校园的第六年，这六年来我一直在从事应用软件的设计、开发工作，大部分时间是在与高级编程语言、设计模式、业务逻辑打交道。它们大多流于表面，久而久之，与技术底层疏远了，诸如计算机组成原理、汇编语言、编译原理、数据结构以及算法慢慢得生疏，时至今日，向上碰到天花板，向下触到花岗岩。五年是一个契机，趁着下一个五年开始之际，我计划用三个月至半年时想间，重新学习这些知识，以期达到巩固基础，厚积薄发的目的。

本篇是我阅读《Computer System: A Programmer’s Perspective》一书的笔记，该书和与之搭配的《Professional Assembly Language》是我当下阅读计划的一部分。

链接器

链接（linking）是将各种代码和数据部分收集起来合并为一个单一文件的过程，这个文件可以被加载（或拷贝）到存储器并执行。其可以执行于编译时（compile time），也可以是加载时（load time），或者运行时（run time），由链接器（linker）执行，其使得分离编译（separate compilation）成为可能。

静态链接器（static linker）以一组可重定位目标文件和命令行参数作为输入，生成一个完全链接的可以加载和运行的可执行目标文件作为输出。输入的可重定位目标文件（relocatable object file）由各种不同的代码和数据节（section）组成，指令、初始化的全局变量、未初始化的变量分别在不同的节当中。

链接器负责符号解析（symbol resolution）和重定位（relocation），前者是将符号引用和符号定义联系起来，后者是将符号定义与存储器位置联系起来。

目标文件

目标文件纯粹是字节块的集合，分为三类：

1. 可重定位目标文件；
2. 可执行目标文件；
3. 共享目标文件。

可重定位目标文件在编译时与其他可重定位目标文件合并起来，创建可执行目标文件。可执行目标文件则是可以被直接拷贝到存储器并执行。共享目标文件则是在加载或者运行时被动态地加载到存储器并链接。

最早的目标文件格式是 a.out，System V Unix 的早前版本使用 COFF（Common Object File Format），Windows NT 使用的是 COFF 的一个变种，叫做 PE（Portable Executable），现代 Unix 系统使用的是 ELF（Executable and Linkable Fomart）。

ELF

.text

已编译程序的机器代码。

.rodata

只读数据。

.data

已初始化的全局 C 变量。

.bss

未初始化的全局 C 变量。

.symtab

符号表，存放程序中定义和引用的函数和全局变量的信息

.rel.text

当链接器把这个目标文件和其他文件结合时，需要修改这些位置，一般而言，任何调用外部函数或者引用全局变量的指令都需要修改。

.rel.data

任何已初始化的全局变量，如果它的初始值是一个全局变量地址或者外部定义函数的地址，都需要被修改。