程序的前世今生——编译、链接和加载简介

本篇文章是组内分享的小结，主要介绍源代码 -> 可执行程序 -> 执行这一过程。也就是源代码是如何转化为可执行程序，然后可执行程序又是如何执行的。在用java或python时，只需要java ClsName或者python a.py就可以执行相应的程序，实际上它们都是依托于底层的虚拟机。本文主要介绍的是操作系统级别的连接、加载、执行等，而不是虚拟机语言的执行。这里只对链接、加载进行一个简介，详细内

chosen0ne

6421人浏览 · 2012-10-28 23:46:24

chosen0ne · 2012-10-28 23:46:24 发布

先看两个示例程序，后续会以它们为例：

// foo.c
#include <stdio.h>

int a = 10;
int b;

void bar(int c);

int
main(){
    bar(a);
    printf("...");
}

// bar.c

void bar(int c){
    // ...
}

通常c程序是由多个模块组成的，每个模块对应一个c文件，会被编译成可连接目标文件，然后由连接器将所有的模块组合成一个可执行程序。可以通过下面命令完成编译动作：

> gcc -c foo.c

编译之后当前目录会生成foo.o，就是对应的可连接目标文件。实际上由源代码转化成目标文件是由多个步骤组成的：

预处理（cpp）：完成宏替换、文件引入，以及去除空行、注释等为词法分析准备。

编译（cc）：将预处理后的代码编译成汇编代码，由于加入了汇编器这一层，隔离了底层硬件的不同实现，提高了移植性。

汇编（as）：将汇编代码转化成机器码，也就是01序列。

我们知道，一个程序是由代码和数据组成的，目标文件必须以某种方式组织这些信息，以便链接器和加载器从文件中去识别相应的信息。在Linux下，目标文件的格式是ELF（Executable Linkable Format），可以用来描述可链接目标文件、可执行目标文件盒共享目标文件。下面就来看看可链接目标文件中主要包含什么内容。目标文件以节（Section）组织数据，同时具有一个节头部表（Section Header）用来描述所有的节。主要的节包括：

.data：已初始化的全局变量和静态局局变量。foo.c中的全局变量a就是存在.data节中。

.bss：未初始化的全局变量和静态局部变量，这个节在载入内存时会被清0，所以未初始化的全局变量和静态局部变量默认值是0。foo.c中的全局变量b存在.bss节。

.text：编译后的机器代码。所有的函数编译后的二进制代码会存在.text节中，比如main函数。

.string：用来存储目标文件中用到的字符串以及字符串常量。

.symtab：符号表。符号就是目标文件中的全局变量和函数，符号表描述目标文件中的所有符号，这个是链接器进行链接的基础。符号分为：

导入符号：当前模块引用其他模块中定义的符号，比如：在foo.c中使用的bar.c中定义的bar函数，那么foo.o的符号表就包含导入符号bar。

导出符号：就是当前模块定义的符号，可以被其他模块引用。这些导出符号就是模块中定义的初始化的全局变量和非静态函数。

目标文件中其实还有很多个节，这里只介绍上面几个主要的节。

多个c文件分别编译成可链接的目标文件后，要生成可执行文件那么还需要进行链接。链接就是解决多个模块的引用和库调用，然后进行重定位以便生成可执行文件。链接过程最重要的就是符号解析，就是将模块中的导入符号找到其定义的地方，然后将符号替换为指针。

在链接时，符号可以分为强符号和弱符号：

强符号：就是初始化的全局变量和非静态函数。比如，foo.c中的全局变量a和函数main以及bar.c中的函数bar。

弱符号：未初始化的全局变量。比如，foo.c中的全局变量b。

链接时，如果遇到重名的强符号（比如在foo.c和bar.c中都定义了int a = 1;），会报错“duplicated symbols”，具体名称记不清了。如果遇到重名的弱符号，链接的行为取决于具体实现，这里不再深入讨论。

链接器需要把多个可链接目标文件组合形成一个可执行目标文件，它会收集各个模块中相同类型的节然后组成可执行文件的对应的节，比如：收集foo.o和bar.o的.data节，然后合并在一起组成可执行文件的.data节。链接器还需要完成重定位，因为在合并节时，原来模块节的地址会改变，所以重定位就是修改模块中指针的地址。

完成连接之后，在磁盘上就会生成可执行目标文件。要执行一个程序时，必须要把可执行目标文件载入内存。我们知道，进程是程序执行的容器，每个运行的程序都有自己的内存地址空间，需要将可执行目标文件中数据和代码节载入到进程的地址空间。下面看一下进程的地址空间：

每个进程都有自己私有的虚拟内存地址空间，在32bit机器上，地址空间的大小是4GB，高地址的1GB的内存空间被映射为内核空间，用于提供内核服务。用户栈就是函数调用栈用于实现函数调用，在栈上为局部变量分配空间。共享库用于实现类似C标准库的代码和数据。堆用于动态内存分配。剩下的数据区和代码区是与可执行文件相关的，需要从磁盘加载。

加载器载入可执行目标文件时需要虚拟存储器的支持，通过mmap的文件映射方式将可执行目标文件中的.data节和.bass节映射到进程地址空间中的数据区，将.text节映射到代码区。栈和堆采用的是mmap的匿名映射，也就是没有提供文件参数。地址空间中的每个被占用的区域就是一个VMA（Virtual Memory Area），这些VMA会通过链表和红黑树组织起来，采用链表是为了便于顺序遍历，红黑树是为了根据地址快速检索到对应的VMA。当我们通过一个地址p访问内存时，os会进行地址合法性检查，第一必须保证p包含在某个VMA中；第二对于每个VMA都有一个读、写和执行的权限，进程必须具备相应的权限才能执行操作。如果不满足上述两点，就会抛出“Segment Fault”错误。

在完成映射之后，接下来开始执行程序，首先执行的是_start函数这个是属于glibc的库函数，完成程序的初始化，为程序的运行准备，接下来就会调用main函数，这是通过符号表完成main函数入口的定位。经过mmap实际上文件并没有载入内存，当第一次访问时会从磁盘加载对应的内容，这是由虚拟存储器机制完成的，对进程是透明的。

用户栈中的元素就是一个个函数调用对应的栈帧，当前栈帧有CPU寄存器%esp和%ebp标识，%esp是栈指针指向栈顶，%ebp是帧指针，在%esp和%ebp之间的区域就是当前函数对应的栈帧。栈帧存放的是函数的实参已经局部变量。

运行时堆是动态内存分配的区域，指针sbrk指向堆顶，可以通过改变sbrk进行动态内存的分配和释放。C标准库中的malloc和free底层就是基于sbrk指针，当然我们也可以通过sbrk实现内存分配器，不过还要设计自己的内存分配算法，通常建议还是使用标准库进行内存分配。

上面就是小组分享的全部内容，由于完全裸讲，没有充分准备，想到哪讲到哪，所以难免会有纰漏，见谅啊~~

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