对《深入理解计算机系统》第七章 链接的读书随笔

对《深入理解计算机系统》第七章“链接”的学习随笔

学习《深入理解计算机系统》第七章“链接”后，我对程序从代码到可执行文件的最后一步关键流程有了清晰认知。链接本质上是由链接器负责，将多个独立的代码段、数据段组合成一个可加载、可执行单元文件的过程，是构造大型程序不可或缺的环节。
理解链接的核心意义，不仅能帮助我们高效构建大型程序（将程序拆分多个模块独立开发、协同整合），更能帮助我们规避编程中的危险错误，搞清楚程序中作用域规则的底层实现逻辑，掌握符号、库等核心概念，进而灵活运用共享库优化程序性能、节省资源。
链接构建可执行文件的核心流程分为两步：符号解析与重定位。符号解析的核心是“找到对应关系”，即明确每个模块所引用的符号（如函数、全局变量）的具体定义，确定符号的类型及所属文件，确保引用的符号都有唯一且合法的定义；符号解析完成后，进入重定位阶段，通俗来讲，就是确定所有解析后的符号、代码段、数据段在最终内存中的具体位置，将符号引用与实际内存资源建立精准关联，让程序能够正确找到所需的指令和数据。
一、目标文件的分类与结构

链接过程中涉及三种核心目标文件，用途不同但文件格式高度一致：

• 可重定位文件：即静态库的组成单元，用于后续链接生成可执行文件或共享目标文件；
  
• 可执行文件：链接的最终产物，可直接被操作系统加载运行；
  
• 共享目标文件：即动态库，可在程序运行时被动态加载，供多个程序共享使用。
  

无论哪种目标文件，均包含以下关键节（段），各司其职：

• 代码段：存放编译后的机器指令，是程序执行的核心；
  
• 只读段：存放常量等不可修改的数据；
  
• 初始化数据段：存放已初始化的全局变量和静态变量；
  
• 未初始化数据段：存放未初始化的全局变量和静态变量（程序加载时会被初始化为0）；
  
• 符号表：记录模块中定义和引用的函数、全局变量信息，是符号解析的核心依据；
  
• 重定位表：包含代码段、数据段中需要重定位的符号引用信息，告知链接器如何修改这些引用；
  
• 调试表：存放局部变量、类型定义、全局变量详情及源文件相关信息，用于程序调试；
  
• 行号映射表：建立源文件行号与机器指令的对应关系，方便调试时定位代码；
  
• 字符串表：存储符号名、文件名等字符串，避免重复存储，节省空间。
  

二、符号表与符号解析

（一）符号表的三种符号类型

• 可输出的全局符号：本模块定义，供其他模块引用（如全局函数、非静态全局变量）；
  
• 被输入的全局符号：本模块引用，但由其他模块定义的符号（如调用其他文件的函数）；
  
• 无法输出的局部符号：仅在本模块内部可见，不可被其他模块引用（如静态函数、静态变量）。
  

（二）符号解析规则

符号解析的核心是为每个符号引用找到唯一的符号定义，其中局部符号遵循“唯一定义”原则，一个模块内不可出现同名局部符号；全局符号的解析由链接器负责，为解决全局符号多重定义问题，链接器遵循以下三条核心规则：

• 禁止多个同名强符号（已初始化的全局变量、函数）共存，否则链接报错；
  
• 若存在一个强符号和多个同名弱符号（未初始化的全局变量），优先选择强符号作为最终定义；
  
• 若存在多个同名弱符号，链接器可任意选择其中一个作为最终定义。
  

三、静态库及其链接过程

静态库是多个可重定位目标文件的归档集合，其核心价值在于“模块化整合、按需引用”——将多个相关函数模块整合为一个库文件，链接时无需加载整个库，仅提取程序所需的模块，避免冗余代码，节省磁盘空间。
链接器使用静态库的核心流程，围绕三个关键集合展开（已合成文件集合E、未解析符号集合U、已定义符号集合D）：

• 链接器先遍历命令行中的所有文件，区分目标文件和静态库归档文件；
  
• 对于目标文件，直接将其加入E集合，同时更新U集合（新增该文件的未解析符号）和D集合（新增该文件的已定义符号）；
  
• 对于静态库，仅提取其中能解析U集合中未解析符号的模块，将这些模块加入E集合，并更新U和D集合；未被引用的模块不会被加载，实现“按需引用”。
  

四、重定位的核心流程与细节

当符号解析完成、所有符号的定义均已确定后，链接器进入重定位阶段。此时链接器已明确所有输入模块的大小和排列顺序，核心任务是确定每个符号的最终内存地址，并修正所有符号引用，具体分为两步：

• 节合并：将所有输入模块中相同类型的节（如所有代码段、所有初始化数据段）分别聚合，形成可执行文件的对应节，确定每个节的起始内存地址；
  
• 符号引用修正：遍历每个节中的重定位条目，按照条目指示的规则，修改代码或数据中的符号引用，使其指向节合并后的最终内存地址。
  

（一）重定位条目

由于编译器编译模块时，无法预知该模块最终会被加载到内存的哪个位置，也无法确定引用的外部符号的地址，因此会为每个需要重定位的符号引用生成一个“重定位条目”，用于告知链接器“该位置需要修改、修改的规则是什么”，是重定位过程的核心依据。
（二）重定位符号引用的两种类型

• 相对引用：符号引用的地址是相对于当前指令地址的偏移量，重定位时仅需根据节的最终地址调整偏移量，兼容性更强；
  
• 绝对引用：符号引用直接指向符号的最终内存地址，重定位时需将引用地址直接修改为符号的实际地址。
  

五、动态链接共享库（动态库）

动态库与静态库的核心区别在于“加载时机和共享机制”：静态库在链接时会被复制嵌入到可执行文件中，每个使用静态库的程序都会包含一份库代码，容易造成内存和磁盘冗余；而动态库不会在链接时嵌入可执行文件，仅在程序加载或运行时，由动态链接器加载到内存，供多个进程共享使用，极大节省了内存和磁盘资源。
此外，动态库的更新无需重新编译可执行文件，仅需替换动态库文件即可，提升了程序的维护效率，是现代程序开发中常用的库形式。

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