摘要：鏈接器會(huì)掃描所有輸入的目標(biāo)文件，然后把所有符號(hào)表里的信息收集起來，構(gòu)成一個(gè)全局的符號(hào)表。這是一本難得的講解程序的鏈接裝載和運(yùn)行的好書。
既然程序最終都被變成了一條條機(jī)器碼去執(zhí)行，那為什么同一個(gè)程序，在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，在Linux下可以運(yùn)行，而在Windows下卻不行呢？
反過來，Windows上的程序在Linux上也是一樣不能執(zhí)行的
可是我們的CPU并沒有換掉，它應(yīng)該可以識(shí)別同樣的指令呀!!!
如果你和我有同樣的疑問，那這一節(jié)，我們就一起來解開。
1 編譯、鏈接和裝載：拆解程序執(zhí)行
寫好的C語(yǔ)言代碼，可以通過編譯器編譯成匯編代碼，然后匯編代碼再通過匯編器變成CPU可以理解的機(jī)器碼，于是CPU就可以執(zhí)行這些機(jī)器碼了
你現(xiàn)在對(duì)這個(gè)過程應(yīng)該不陌生了，但是這個(gè)描述把過程大大簡(jiǎn)化了
下面，我們一起具體來看，C語(yǔ)言程序是如何變成一個(gè)可執(zhí)行程序的。
過去幾節(jié)，我們通過gcc生成的文件和objdump獲取到的匯編指令都有些小小的問題
我們先把前面的add函數(shù)示例，拆分成兩個(gè)文件
add_lib.c
link_example.c
通過gcc來編譯這兩個(gè)文件，然后通過objdump命令看看它們的匯編代碼。
objdump -d -M intel -S link_example.o
既然代碼已經(jīng)被我們“編譯”成了指令
不妨嘗試運(yùn)行一下 ./link_example.o
不幸的是，文件沒有執(zhí)行權(quán)限，我們遇到一個(gè)Permission denied錯(cuò)誤
即使通過chmod命令賦予link_example.o文件可執(zhí)行的權(quán)限，運(yùn)行 ./link_example.o 仍然只會(huì)得到一條cannot execute binary file: Exec format error的錯(cuò)誤。
仔細(xì)看一下objdump出來的兩個(gè)文件的代碼，會(huì)發(fā)現(xiàn)兩個(gè)程序的地址都是從0開始
如果地址一樣，程序如果需要通過call指令調(diào)用函數(shù)的話，怎么知道應(yīng)該跳到哪一個(gè)文件呢？
無(wú)論是這里的運(yùn)行報(bào)錯(cuò)，還是objdump出來的匯編代碼里面的重復(fù)地址
都是因?yàn)?add_lib.o 以及 link_example.o 并不是一個(gè)可執(zhí)行文件（Executable Program），而是目標(biāo)文件（Object File）
只有通過鏈接器（Linker） 把多個(gè)目標(biāo)文件以及調(diào)用的各種函數(shù)庫(kù)鏈接起來，我們才能得到一個(gè)可執(zhí)行文件
gcc的-o參數(shù)，可以生成對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行文件，對(duì)應(yīng)執(zhí)行之后，就可以得到這個(gè)簡(jiǎn)單的加法調(diào)用函數(shù)的結(jié)果。
C語(yǔ)言代碼-匯編代碼-機(jī)器碼 過程，在我們的計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的時(shí)候是由兩部分組成:
第一個(gè)部分由編譯（Compile）、匯編（Assemble）以及鏈接（Link）三個(gè)階段組成
三階段后，就生成了一個(gè)可執(zhí)行文件link_example:
file format elf64-x86-64
Disassembly of section .init:
...
Disassembly of section .plt:
...
Disassembly of section .plt.got:
...
Disassembly of section .text:
...
6b0: 55 push rbp
6b1: 48 89 e5 mov rbp,rsp
6b4: 89 7d fc mov DWORD PTR [rbp-0x4],edi
6b7: 89 75 f8 mov DWORD PTR [rbp-0x8],esi
6ba: 8b 55 fc mov edx,DWORD PTR [rbp-0x4]
6bd: 8b 45 f8 mov eax,DWORD PTR [rbp-0x8]
6c0: 01 d0 add eax,edx
6c2: 5d pop rbp
6c3: c3 ret
00000000000006c4 :
6c4: 55 push rbp
6c5: 48 89 e5 mov rbp,rsp
6c8: 48 83 ec 10 sub rsp,0x10
6cc: c7 45 fc 0a 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x4],0xa
6d3: c7 45 f8 05 00 00 00 mov DWORD PTR [rbp-0x8],0x5
6da: 8b 55 f8 mov edx,DWORD PTR [rbp-0x8]
6dd: 8b 45 fc mov eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
6e0: 89 d6 mov esi,edx
6e2: 89 c7 mov edi,eax
6e4: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
6e9: e8 c2 ff ff ff call 6b0
6ee: 89 45 f4 mov DWORD PTR [rbp-0xc],eax
6f1: 8b 45 f4 mov eax,DWORD PTR [rbp-0xc]
6f4: 89 c6 mov esi,eax
6f6: 48 8d 3d 97 00 00 00 lea rdi,[rip+0x97] # 794 <\_IO\_stdin\_used+0x4>
6fd: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
702: e8 59 fe ff ff call 560
707: b8 00 00 00 00 mov eax,0x0
70c: c9 leave
70d: c3 ret
70e: 66 90 xchg ax,ax
...
Disassembly of section .fini:
...你會(huì)發(fā)現(xiàn)，可執(zhí)行代碼dump出來內(nèi)容，和之前的目標(biāo)代碼長(zhǎng)得差不多，但是長(zhǎng)了很多
因?yàn)樵贚inux下，可執(zhí)行文件和目標(biāo)文件所使用的都是一種叫ELF（Execuatable and Linkable File Format）的文件格式，中文名字叫可執(zhí)行與可鏈接文件格式
這里面不僅存放了編譯成的匯編指令，還保留了很多別的數(shù)據(jù)。
第二部分，我們通過裝載器（Loader）把可執(zhí)行文件裝載（Load）到內(nèi)存中
CPU從內(nèi)存中讀取指令和數(shù)據(jù)，來開始真正執(zhí)行程序
2 ELF格式和鏈接：理解鏈接過程程序最終是通過裝載器變成指令和數(shù)據(jù)的，所以其實(shí)生成的可執(zhí)行代碼也并不僅僅是一條條的指令
我們還是通過objdump指令，把可執(zhí)行文件的內(nèi)容拿出來看看。
比如我們過去所有objdump出來的代碼里，你都可以看到對(duì)應(yīng)的函數(shù)名稱，像add、main等等，乃至你自己定義的全局可以訪問的變量名稱，都存放在這個(gè)ELF格式文件里
這些名字和它們對(duì)應(yīng)的地址，在ELF文件里面，存儲(chǔ)在一個(gè)叫作符號(hào)表（Symbols Table）的位置里。符號(hào)表相當(dāng)于一個(gè)地址簿，把名字和地址關(guān)聯(lián)了起來。
我們先只關(guān)注和我們的add以及main函數(shù)相關(guān)的部分
你會(huì)發(fā)現(xiàn)，這里面，main函數(shù)里調(diào)用add的跳轉(zhuǎn)地址，不再是下一條指令的地址了，而是add函數(shù)的入口地址了，這就是EFL格式和鏈接器的功勞
ELF文件格式把各種信息，分成一個(gè)一個(gè)的Section保存起來。ELF有一個(gè)基本的文件頭（File Header），用來表示這個(gè)文件的基本屬性，比如是否是可執(zhí)行文件，對(duì)應(yīng)的CPU、操作系統(tǒng)等等。除了這些基本屬性之外，大部分程序還有這么一些Section：
首先是.text Section，也叫作代碼段或者指令段（Code Section），用來保存程序的代碼和指令；
接著是.data Section，也叫作數(shù)據(jù)段（Data Section），用來保存程序里面設(shè)置好的初始化數(shù)據(jù)信息；
然后就是.rel.text Secion，叫作重定位表（Relocation Table）。重定位表里，保留的是當(dāng)前的文件里面，哪些跳轉(zhuǎn)地址其實(shí)是我們不知道的。比如上面的 link_example.o 里面，我們?cè)趍ain函數(shù)里面調(diào)用了 add 和 printf 這兩個(gè)函數(shù)，但是在鏈接發(fā)生之前，我們并不知道該跳轉(zhuǎn)到哪里，這些信息就會(huì)存儲(chǔ)在重定位表里；
最后是.symtab Section，叫作符號(hào)表（Symbol Table）。符號(hào)表保留了我們所說的當(dāng)前文件里面定義的函數(shù)名稱和對(duì)應(yīng)地址的地址簿。
鏈接器會(huì)掃描所有輸入的目標(biāo)文件，然后把所有符號(hào)表里的信息收集起來，構(gòu)成一個(gè)全局的符號(hào)表。然后再根據(jù)重定位表，把所有不確定要跳轉(zhuǎn)地址的代碼，根據(jù)符號(hào)表里面存儲(chǔ)的地址，進(jìn)行一次修正。最后，把所有的目標(biāo)文件的對(duì)應(yīng)段進(jìn)行一次合并，變成了最終的可執(zhí)行代碼。這也是為什么，可執(zhí)行文件里面的函數(shù)調(diào)用的地址都是正確的
在鏈接器把程序變成可執(zhí)行文件之后，要裝載器去執(zhí)行程序就容易多了。裝載器不再需要考慮地址跳轉(zhuǎn)的問題，只需要解析 ELF 文件，把對(duì)應(yīng)的指令和數(shù)據(jù)，加載到內(nèi)存里面供CPU執(zhí)行就可以了。
3 總結(jié)
講到這里，相信你已經(jīng)猜到，為什么同樣一個(gè)程序，在Linux下可以執(zhí)行而在Windows下不能執(zhí)行了。其中一個(gè)非常重要的原因就是，兩個(gè)操作系統(tǒng)下可執(zhí)行文件的格式不一樣。
我們今天講的是Linux下的ELF文件格式，而Windows的可執(zhí)行文件格式是一種叫作PE（Portable Executable Format）的文件格式。Linux下的裝載器只能解析ELF格式而不能解析PE格式。
如果我們有一個(gè)可以能夠解析PE格式的裝載器，我們就有可能在Linux下運(yùn)行Windows程序了。這樣的程序真的存在嗎？
沒錯(cuò)，Linux下著名的開源項(xiàng)目Wine，就是通過兼容PE格式的裝載器，使得我們能直接在Linux下運(yùn)行Windows程序的。
而現(xiàn)在微軟的Windows里面也提供了WSL，也就是Windows Subsystem for Linux，可以解析和加載ELF格式的文件。
我們?nèi)懣梢杂玫某绦?，也不僅僅是把所有代碼放在一個(gè)文件里來編譯執(zhí)行，而是可以拆分成不同的函數(shù)庫(kù)，最后通過一個(gè)靜態(tài)鏈接的機(jī)制，使得不同的文件之間既有分工，又能通過靜態(tài)鏈接來“合作”，變成一個(gè)可執(zhí)行的程序。
對(duì)于ELF格式的文件，為了能夠?qū)崿F(xiàn)這樣一個(gè)靜態(tài)鏈接的機(jī)制，里面不只是簡(jiǎn)單羅列了程序所需要執(zhí)行的指令，還會(huì)包括鏈接所需要的重定位表和符號(hào)表。
4 推薦閱讀
更深入了解程序的鏈接過程和ELF格式，推薦閱讀《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載和庫(kù)》的1～4章。這是一本難得的講解程序的鏈接、裝載和運(yùn)行的好書。
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