1. 多目标文件的链接

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2023-12-01

1. 多目标文件的链接

现在我们把例 12.1 “用堆栈实现倒序打印”拆成两个程序文件，stack.c实现堆栈，而main.c使用堆栈：

/* stack.c */
char stack[512];
int top = -1;

void push(char c)
{
	stack[++top] = c;
}

char pop(void)
{
	return stack[top--];
}

int is_empty(void)
{
	return top == -1;
}

这段程序和原来有点不同，在例 12.1 “用堆栈实现倒序打印”中top总是指向栈顶元素的下一个元素，而在这段程序中top总是指向栈顶元素，所以要初始化成-1才表示空堆栈，这两种堆栈使用习惯都很常见。

/* main.c */
#include <stdio.h>

int a, b = 1;

int main(void)
{
	push('a');
	push('b');
	push('c');
	
	while(!is_empty())
		putchar(pop());
	putchar('\n');

	return 0;
}

a和b这两个变量没有用，只是为了顺便说明链接过程才加上的。编译的步骤和以前一样，可以一步编译：

$ gcc main.c stack.c -o main

也分可以多步编译：

$ gcc -c main.c
$ gcc -c stack.c
$ gcc main.o stack.o -o main

如果按照第 2 节 “main函数和启动例程”的做法，用nm命令查看目标文件的符号表，会发现main.o中有未定义的符号push、pop、is_empty、putchar，前三个符号在stack.o中实现了，链接生成可执行文件main时可以做符号解析，而putchar是libc的库函数，在可执行文件main中仍然是未定义的，要在程序运行时做动态链接。

我们通过readelf -a main命令可以看到，main的.bss段合并了main.o和stack.o的.bss段，其中包含了变量a和stack，main的.data段也合并了main.o和stack.o的.data段，其中包含了变量b和top，main的.text段合并了main.o和stack.o的.text段，包含了各函数的定义。如下图所示。

图 20.1. 多目标文件的链接

为什么在可执行文件main的每个段中来自main.o的变量或函数都在前面，而来自stack.o的变量或函数都在后面呢？我们可以试试把gcc命令中的两个目标文件反过来写：

$ gcc stack.o main.o -o main

结果正如我们所预料的，可执行文件main的每个段中来自main.o的变量或函数都排到后面了。实际上链接的过程是由一个链接脚本（Linker Script）控制的，链接脚本决定了给每个段分配什么地址，如何对齐，哪个段在前，哪个段在后，哪些段合并到同一个Segment，另外链接脚本还要插入一些符号到最终生成的文件中，例如__bss_start、_edata、_end等。如果用ld做链接时没有用-T选项指定链接脚本，则使用ld的默认链接脚本，默认链接脚本可以用ld --verbose命令查看（由于比较长，只列出一些片断）：

$ ld --verbose
...
using internal linker script:
==================================================
/* Script for -z combreloc: combine and sort reloc sections */
OUTPUT_FORMAT("elf32-i386", "elf32-i386",
	      "elf32-i386")
OUTPUT_ARCH(i386)
ENTRY(_start)
...
SECTIONS
{
  /* Read-only sections, merged into text segment: */
  PROVIDE (__executable_start = 0x08048000); . = 0x08048000 + SIZEOF_HEADERS;
  .interp         : { *(.interp) }
  .note.gnu.build-id : { *(.note.gnu.build-id) }
  .hash           : { *(.hash) }
  .gnu.hash       : { *(.gnu.hash) }
  .dynsym         : { *(.dynsym) }
  .dynstr         : { *(.dynstr) }
  .gnu.version    : { *(.gnu.version) }
  .gnu.version_d  : { *(.gnu.version_d) }
  .gnu.version_r  : { *(.gnu.version_r) }
  .rel.dyn        :
...
  .rel.plt        : { *(.rel.plt) }
...
  .init           :
...
  .plt            : { *(.plt) }
  .text           :
...
  .fini           :
...
  .rodata         : { *(.rodata .rodata.* .gnu.linkonce.r.*) }
...
  .eh_frame       : ONLY_IF_RO { KEEP (*(.eh_frame)) }
...
  /* Adjust the address for the data segment.  We want to adjust up to
     the same address within the page on the next page up.  */
  . = ALIGN (CONSTANT (MAXPAGESIZE)) - ((CONSTANT (MAXPAGESIZE) - .) & (CONSTANT (MAXPAGESIZE) - 1)); . = DATA_SEGMENT_ALIGN (CONSTANT (MAXPAGESIZE), CONSTANT (COMMONPAGESIZE));
...
  .ctors          :
...
  .dtors          :
...
  .jcr            : { KEEP (*(.jcr)) }
...
  .dynamic        : { *(.dynamic) }
  .got            : { *(.got) }
...
  .got.plt        : { *(.got.plt) }
  .data           :
...
  _edata = .; PROVIDE (edata = .);
  __bss_start = .;
  .bss            :
...
  _end = .; PROVIDE (end = .);
  . = DATA_SEGMENT_END (.);
  /* Stabs debugging sections.  */
...
  /* DWARF debug sections.
     Symbols in the DWARF debugging sections are relative to the beginning
     of the section so we begin them at 0.  */
...
}


==================================================

ENTRY(_start)说明_start是整个程序的入口点，因此_start是入口点并不是规定死的，是可以改用其它函数做入口点的。

PROVIDE (__executable_start = 0x08048000); . = 0x08048000 + SIZEOF_HEADERS;是Text Segment的起始地址，这个Segment包含后面列出的那些段，.plt、.text、.rodata等等。每个段的描述格式都是“段名 : { 组成 }”，例如.plt : { *(.plt) }，左边表示最终生成的文件的.plt段，右边表示所有目标文件的.plt段，意思是最终生成的文件的.plt段由各目标文件的.plt段组成。

. = ALIGN (CONSTANT (MAXPAGESIZE)) - ((CONSTANT (MAXPAGESIZE) - .) & (CONSTANT (MAXPAGESIZE) - 1)); . = DATA_SEGMENT_ALIGN (CONSTANT (MAXPAGESIZE), CONSTANT (COMMONPAGESIZE));是Data Segment的起始地址，要做一系列的对齐操作，这个Segment包含后面列出的那些段，.got、.data、.bss等等。

Data Segment的后面还有其它一些Segment，主要是调试信息。关于链接脚本就介绍这么多，本书不做深入讨论。