lec07-Linking

Wu Spring 11 ©USTC
静态链接
°程序通过编译驱动器（Compiler Driver）进行翻译和链接: 程序通过编译驱动器（ ）进行翻译和链接 程序通过编译驱动器
• unix> gcc -O2 -g -o p main.c swap.c • unix> ./p
main.c Translators (cpp, cc1, as) main.o Linker (ld) p
问题: 问题 • 效率性:微小的修改都需要完全重新编译 效率性 微小的修改都需要完全重新编译 • 模块性 很难共享公共函数 (如printf) 模块性: 如 解决: 解决 • 静态链接(或链接） 或链接）
CSAPP L7 Chp7.3 Wu Spring 11 ©USTC
c程序示例 程序示例
main.c int buf[2] = {1, 2}; int main() { swap(); return 0; }
• 可重定位目标文件 (.o), • 可执行目标文件 • 共享目标文件 (.so)
°通用名 ELF 二进制文件 通用名: 通用名
CSAPP L7 Chp7.10
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ELF目标文件格式 目标文件格式
°Elf 头
• 包括文件类型，机器，字节序等. 包括文件类型，机器，字节序等 ELF header Program header table (required for executables) .text section .data section .bss section .symtab .rel.txt .rel.data .debug Section header table (required for relocatables) 0
CSAPP L7 Chp7.6 Wu Spring 11 ©USTC
链接器做些什么? 链接器做些什么 °符号解析 符号解析
• 程序定义和引用符号 (变量和函数 变量和函数): 变量和函数 - 代码 a(); 代码: /* reference to symbol a */ - 数据 int *xp=&x; /* reference to symbol x */ 数据: • 符号定义存储在符号表中（由编译器）. 符号定义存储在符号表中（由编译器） - 每个条目包括名字，大小和目标位置 每个条目包括名字，大小和目标位置. • 链接器把每个符号引用关联到唯一的一个符号定义 链接器把每个符号引用关联到唯一的一个符号定义.
°效率性 效率性
• 时间 时间: - 改变一个源文件，只需单独编译再重新连接 改变一个源文件， - 不需要重新编译其他的源文件 • 空间 空间: - 公共函数库可以集中在一个文件中 公共函数库可以集中在一个文件中… 但可执行文件和运行时存储器映像中只要包含其实际需要的函数 代码. 代码
CSAPP L7 Chp7.8
• strong: 过程 过程(procedures)和初始化全局变量 和初始化全局变量 • weak: 未初始化全局变量
p1.c strong strong int foo=5; p1() { }
p2.c int foo; p2() { } weak strong
CSAPP L7 Chp7.15
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CSAPP L7 Chp7.5
swap.c Translators (cpp, cc1, as) swap.o
源文件
分别编译 可重定位目标文件
完全链接的可执行目标文件 (包括main.c和swap.c中定义的所有函数 的代码和数据） 的代码和数据）
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翻译示例程序 °编译驱动器 协调翻译和链接过程中的所有步骤. 协调翻译和链接过程中的所有步骤
°程序头表 程序头表
• 页大小 虚地址存储段 (sections), 段大小 页大小, 段大小.
°.text 段
• 代码
°.data 段
• 已初始化的数据（静态） 已初始化的数据（静态）
°.bss 段
• 未初始化的数据（静态） 未初始化的数据（静态） • “Block Started by Symbol” • “Better Save Space” • 有段头却不占用空间
CSAPP L7 Chp7.7
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为什么要链接? 为什么要链接 °模块性 模块性
• 程序可以写成一组更小的源文件而不是一个庞大的单独文件 程序可以写成一组更小的源文件而不是一个庞大的单独文件. • 可以建立公共函数库 (more on this later) e.g., 数学函数库 标准 语言库 数学函数库, 标准c语言库
°可执行目标文件 可执行目标文件
• 按照某种格式包含二进制代码和数据，可以被直接拷贝到存储器并执 按照某种格式包含二进制代码和数据， 行.
°共享目标文件 (.so file) 共享目标文件
• 一种特殊类型的可重定位目标文件，可以在加载时或者运行时被动态 一种特殊类型的可重定位目标文件， 的加载到存储器并链接. 的加载到存储器并链接 • Windows中称之为动态链接库（DLLs） 中称之为动态链接库（ 中称之为动态链接库 ）
链接器的符号规则 °规则 不允许有多个相同的强符号. 规则1.不允许有多个相同的强符号 规则 不允许有多个相同的强符号 °规则 一个强符号可以覆盖同名的弱符号 规则2. 一个强符号可以覆盖同名的弱符号. 规则
• 对弱符号的引用的要按同名强符号进行解析 对弱符号的引用的要按同名强符号进行解析.
°规则 如果有多个弱符号，那么链接器可以从中选择任 规则3.如果有多个弱符号 规则 如果有多个弱符号， 意一个来解析. 意一个来解析
°.rel.text 段
• .text 段的重定位信息 • 在可执行文件中要修改的指令地址 • 要修改的指令 要修改的指令.
°.rel.data 段
• .data 段的重定位信息 • 合并后的可执行文件需要的指针数据的地址
°.debug 段
• 符号调试信息 (gcc -g)
CSAPP L7 Chp7.12
°重定位 重定位
• 将各个文件中分离的代码段和数据段合并成统一的代码段和数据段。 将各个文件中分离的代码段和数据段合并成统一的代码段和数据段。 • 将.o文件中符号的相对位置重新定位成可执行文件的绝对位置 文件中符号的相对位置重新定位成可执行文件的绝对位置. 文件中符号的相对位置重新定位成可执行文件的绝对位置 • 修改所有对这些符号的引用，使得指向新位置. 修改所有对这些符号的引用，使得指向新位置
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链接符号(Linker Symbols) 链接符号 °全局符号 全局符号
• 在模块 中定义的可以被其他模块引用的符号. 在模块m中定义的可以被其他模块引用的符号 中定义的可以被其他模块引用的符号 • Ex: 非静态的 C 函数和非静态的全局变量 函数和非静态的全局变量.
Ref to external symbol swap
bufp1 = &buf[1]; temp = *bufp0; *bufp0 = *bufp1; *bufp1 = temp; }
CSAPP L7 Chp7.14
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强符号和弱符号 °程序符号不是强符号就是弱符号 程序符号不是强符号就是弱符号
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目标文件(模块 目标文件 模块) 模块 °可重定位目标文件 可重定位目标文件(.o file) 可重定位目标文件
• 按照某种格式包含代码和数据，可以在编译时与其他可重定位目标文 按照某种格式包含代码和数据， 件合并起来，创建一个可执行目标文件. 件合并起来，创建一个可执行目标文件
°要点 局部链接符号不是局部程序变量 要点: 要点
CSAPP L7 Chp7.13
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符号解析
Def of global symbol buf main.c int buf[2] = {1,2}; int main() { swap(); return 0; } Def of local symbol bufp0 static int *bufp0 = &buf[0]; static int *bufp1; void swap() { int temp; Linker knows nothing of temp swap.c extern int buf[]; Ref to external symbol buf
Computer Systems: A Programmer’s Perspective 计算机系统详解 Lecture 7 Linking May 27, 2011 Wu junmin (jmwu@)
CSAPP L7 Chp7.1
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Topics
swap.c extern int buf[]; int *bufp0 = &buf[0]; int *bufp1; void swap() { int temp; bufp1 = &buf[1]; temp = *bufp0; *bufp0 = *bufp1; *bufp1 = temp; }
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°外部符号 外部符号
• 被模块 引用的全局符号但是在其他模块中定义的. 被模块m引用的全局符号但是在其他模块中定义的 引用的全局符号但是在其他模块中定义的
°局部符号 局部符号
• 只在模块 中定义和引用的符号. 只在模块m中定义和引用的符号 中定义和引用的符号 • Ex: 定义的具有静态属性的 函数和符号 定义的具有静态属性的c函数和符号 函数和符号.
°Static linking °Dynamic linking