C/C++编译链接与装载深入浅出

2016-05-09

编译的详细过程

以hello.c的源文件为例, C/C++编译, 链接与装载的流程是

gcc -E 将hello.c预处理, 把所有的宏展开, 解析#ifndef, 删除注释等, 得到translation unit(编译单元) hello.i文件.
gcc -S 将hello.i编译成汇编文件hello.s
gcc -c 汇编器as将hello.s编译成成目标文件hello.o
gcc 链接器ld将hello.o链接成可执行文件a.out

最简单的汇编程序

.section .data

.section .text
.globl _start
_start:
    movl $1, %eax
    movl $77, %ebx
    int $0x80

将这个文本保存成hello.s, 再用汇编器(Assembler)把汇编程序中的助记符翻译成机器指令, 生成目标文件hello.o

$ as hello.s -o hello.o

然后用链接器(Linker, 或Link Editor)ld把目标文件hello.o链接成可执行文件hello:

$ ld hello.o -o hello

这个程序只是做了一件事: 退出.

退出状态(Exit Status)为77, 在Shell中可以用特殊变量$?得到上一条命令的退出状态

$ ./hello
$ echo $?
77

.section到ELF文件

.section会成为目标文件的Section

简单起见, 以上汇编程序只是想告诉大家, 注意以上的.section后的.data与.text

汇编程序中以.开头的名称不会被翻译成机器指令, 而是给汇编器一些特殊的指示, 称为汇编指示(Assembler Directive)或伪操作(Pseudo-operation), 由于它不是真正的指令所以加个“伪”字.

.section指示把代码划分成若干个段(Section), 程序被操作系统加载执行时, 每个段被加载到不同的地址, 具有不同的读、写、执行权限。 .data段保存程序的数据, 是可读可写的, C程序的全局变量也属于.data段. 本程序中没有定义数据, 所以.data段是空的

所以, 我们的hello.c源代码经过gcc -S 翻译后, 就得到伪操作以及一些运算指令(hello.s). 接着, 使用as hello.s根据段信息等得到目标文件hello.o, 目标文件由若干个Section组成, 我们在汇编文件中声明的.section会成为目标文件的Section, 此外汇编器会自动添加一些Section(比如符号表).

C程序编译后的执行语句都翻译成机器指令放在.text段, 已初始化的全局变量和局部静态变量放在.data段, 未初始化或者默认初始化(即是0)的全局变量和局部静态变量放在.bss的段里, 有.bss段的目的是为了节省内存空间, 因为都为0, 只需要为它们预留位置即可.

为什么不把指令跟数据全部放在一个section呢?

各个Section可以划分权限, 如.data为可读可写, .rodata与.text只可读.
指令跟数据划分得更细, 可以让缓存的命中率提高.
共享资源. 当多个相同的进程同时运行时, 可以共享.text, .rodata等. 当进程里有很大图片, 文本等资源时就可以节省大量空间.

目标文件是ELF文件

ELF(Executable and Linking Format)是一个开放标准, 各种UNIX系统的可执行文件都采用ELF格式, 它有四种不同的类型:

可重定位的目标文件(Relocatable, 或者Object File), Linux的.o, Windows的.obj
可执行文件(Executable), Linux的.out, Windows的.exe
共享库(Shared Object, 或者Shared Library), Linux的.so, Windows的.DLL
核心转储文件(Core Dump File)a, Linux下的core dump

大家想想, 当我们编译多个文件时, 就会有多个目标文件. 当A文件使用B文件的函数时, A文件是如何得知B文件函数的地址是什么呢? 这个过程, 就叫做重定位.

下一篇我们讲解, 重定位, 重定位表, 符号等.

参考资料

本文几乎可以算是对”Linux C一站式学习”, “程序员的自我修养-链接装载与库”的归纳整理.

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