CSAPP 第七章：Linking

链接的作用 (What is Linking)

• 链接 (Linking)：把多个 目标文件 (.o) 和 库文件 (.a / .so) 组合成一个单独的 可执行文件。

• 链接既可以在编译时完成，也可以在运行时动态完成。

链接过程

1. 编译器 (gcc -c)

   • C 源代码 .c → 汇编器生成 .o

2. 静态链接器 (ld)

   • 把多个 .o 文件和库文件合并成一个可执行程序

3. 动态链接

   • 程序运行时，由 动态链接器 (ld-linux.so) 负责加载动态库

📌 关键作用：

• 符号解析 (Symbol Resolution)：把函数和全局变量的引用匹配到它们的定义。

• 重定位 (Relocation)：确定每个符号的最终内存地址，并修改代码/数据里的地址引用。

静态链接 (Static Linking)

• 静态链接器 (ld) 输入：

  • 目标文件 (.o)

  • 静态库 (.a) → 一组目标文件的集合

• 输出：

  • 单个 可执行文件 (ELF)，里面包含所有需要的代码和数据

示例

gcc -static main.o sum.o -o prog

📌 特点：

• 生成的可执行文件大，但运行时不依赖外部库。

• 库函数的代码被完整复制进可执行文件。

动态链接 (Dynamic Linking)

• 动态库 (.so) 在程序运行时才装载。

• 动态链接器 (ld-linux.so) 会：

  • 加载共享库到内存

  • 进行符号解析和重定位

示例

gcc main.o -lsum -o prog

📌 特点：

• 节省空间（多个进程共享一份库代码）。

• 更新库文件不需要重新编译程序。

ELF 文件结构 (Executable and Linkable Format)

• ELF 可执行文件/目标文件的组成：

段	作用
.text	机器指令
.rodata	只读常量（字符串字面量）
.data	已初始化的全局/静态变量
.bss	未初始化的全局/静态变量（运行时清零）
.symtab	符号表（函数/变量的定义与引用）
.rel.text	代码段里的重定位信息
.rel.data	数据段里的重定位信息
.debug	调试信息 (仅调试用)

📌 未初始化的全局变量不会占用文件空间，只在运行时分配。

符号解析 (Symbol Resolution)

• 每个符号 (symbol) 对应一个函数或全局变量。

• 符号类型：

  • 全局符号：在一个模块中定义，可以被其他模块引用

  • 外部符号：在本模块中引用，在别处定义

  • 局部符号：只在本模块内部使用

例子

// main.c
extern void f();   // 外部符号
int x = 1;         // 全局符号
int main() { f(); }

// f.c
int x = 2;         // 另一个全局符号
void f() { }

⚠️ 冲突规则 (Strong/Weak Symbols)：

• 强符号 (Strong)：已初始化的全局变量、函数

• 弱符号 (Weak)：未初始化的全局变量

• 规则：

  1. 不允许出现多个强符号同名（链接报错）

  2. 强符号覆盖弱符号

  3. 如果只有弱符号，任选一个

重定位 (Relocation)

• 目标文件的代码和数据段只是相对地址，必须在链接时修正。

• 两类重定位：

  1. 重定位节和符号定义：把所有目标文件的节合并，确定每个符号的虚拟地址

  2. 修正代码和数据里的引用：把指令/数据中对符号的引用替换成实际地址

例子：函数调用

extern void f();
int main() {
    f();   // 编译时不知道 f 的地址
}

汇编中 call f → 链接时在 .rel.text 中有一个重定位项，指向 f 的地址。

静态库 (Static Libraries)

• 归档文件 (.a)：由 ar 工具打包多个 .o 文件

ar rcs libfoo.a foo1.o foo2.o

• 使用：

gcc main.o -L. -lfoo -o prog

📌 链接器只会提取库中 被引用到的目标文件。

动态库 (Shared Libraries)

• 创建动态库

gcc -fPIC -shared -o libfoo.so foo.c

• 使用动态库

gcc main.o -L. -lfoo -o prog

运行时 ld-linux.so 会在：

• /lib /usr/lib

• LD_LIBRARY_PATH
  找到 libfoo.so

延迟绑定 (Lazy Binding)

• GOT (全局偏移表) + PLT (过程链接表) 实现动态函数调用。

执行流程：

1. 程序第一次调用库函数 printf

   • 跳到 PLT 表项

   • 触发 ld-linux.so 查找真正地址

   • 写入 GOT

2. 之后的调用直接通过 GOT 跳转

📌 优点：加快程序启动，函数地址在第一次调用时才解析。

静态 vs 动态链接对比

特性	静态链接	动态链接
可执行文件大小	大	小
运行时依赖	无	需要共享库
更新库	需重新编译	可直接替换库
加载速度	快	首次调用需解析符号