0.簡介

前面文章中已經(jīng)對于編譯鏈接整體流程以及目標文件格式進行了解讀，本文將會介紹靜態(tài)鏈接的原理，幫助讀者了解靜態(tài)鏈接流程以及其優(yōu)缺點。

1.靜態(tài)鏈接整體說明

對于靜態(tài)鏈接來說，其核心功能就是將輸入的幾個目標文件整合后輸出一個可執(zhí)行文件（可以理解其解決了前期通過分治方式模塊化編碼的后期整合問題）。既然是整合，其避免不了的就是整合方式的選擇，最簡單的就是各個.o的各個段直接疊加，另外一種就是按段進行整合，相同段進行合并。第一種優(yōu)勢就是簡單，但因為一些地址空間對齊會造成空間浪費；第二種的話稍復(fù)雜一些，但避免了空間的浪費，所以一般都是使用方式二。整合完之后接下來就應(yīng)該考慮如何找到符號地址了，其通過第一步收集到的信息（如段數(shù)據(jù)，重定位信息等）來進行符號的解析和重定位。

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接下來本文將使用下面兩個程序來分析靜態(tài)鏈接做的事情：

//main.c
extern int nExt;
int main()
{
    int nData = 50;
    swap(&nData, &nExt);
    return 0;
}

//func.c
int nExt = 1;
void swap(int* a, int* b){
    int tmp = *a;
    *a =  *b;
    *b = tmp;
}

通過執(zhí)行下面命令來分別生成main.o，func.o以及鏈接后的a.out。

#需要-fno-stack-protector關(guān)閉棧保護的檢查，不然需要鏈接libc，影響后續(xù)分析
gcc -c main.c -fno-stack-protector
gcc -c func.c -fno-stack-protector
ld main.o func.o -e main -o a.out

我們先來看main.o的整體內(nèi)容objdump -h main.o：

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    接下來來看func.o的內(nèi)容objdump -h func.o:

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接下來是a.out的內(nèi)容objdump -h a.out:

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從上面可以看到段合并的效果，main.o的.text段大小為2d，func.o的.text段大小為31，而a.out的.text段大小為5e，剛好為二者相加；而鏈接在段合并的同時還計算了各個部分加載到內(nèi)存時的虛擬地址，也就是VMA，可以看到其和file off的區(qū)別，一個是加載到內(nèi)存的地址，一個是文件中的偏移。接下面我們詳細來看鏈接過程的符號解析和重定義。

2.符號解析和重定位

符號解析我們可以先看一下main.o和func.o以及a.out的符號信息：

readelf -s main.o

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可以看到其都處于未定義的狀態(tài)。

readelf -s func.o

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可以看到其處于全局定義的狀態(tài)。

readelf -s a.out

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可以看到其不再是未定義狀態(tài)，那么其地址是怎么來的那？又是如何知道那個地方需要重定位那？首先來看地址是怎么來的，我們來回顧一下a.out的整體信息，其中text段VMA地址是401000，而main.o的.text段大小是2d，合并后大小就是40102d，接下來是func.o的text段，swap函數(shù)相對偏移地址是0，所以應(yīng)該為40102d，我們可以通過objdump -d a.out來看地址，其他符號也是類似的原理。

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接下來我們來看第二個問題，如何知道哪些指令要被調(diào)整那？其依賴于重定位段，我們來看main.o中的重定位段objdump -r main.o，以swap為例可以看到其在text段的22位置需要進行R_X86_64_PLT32類型的重定位。

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接下來來看這個22地址對應(yīng)的指令，objdump -d main.o，可以看到其對應(yīng)的剛好是callq后的地址，也就是重定位的入口。重定位就是根據(jù)這種方式去做的。

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3.鏈接優(yōu)化及靜態(tài)鏈接優(yōu)缺點

在鏈接過程中編譯器會有一些優(yōu)化項：

1）重復(fù)代碼消除：比如實例化模板實例化多份，多個cpp文件中有重復(fù)。

2）靜態(tài)庫的特殊處理：.a其本質(zhì)上就是一堆.o文件的集合，鏈接時可以按需提取，遞歸解析依賴。

3）可以使用命令使得靜態(tài)庫變小：通過分離調(diào)試信息可以使得輸出文件變小：objcopy --strip-debug xxx。

優(yōu)缺點我們可以根據(jù)去原理來進行理解：

1）優(yōu)點：運行獨立，部署簡單；啟動速度快，無需動態(tài)鏈接器。

2）缺點：可執(zhí)行文件體積大；更新維護困難，必須全量編譯替換；不適合動態(tài)擴展場景（如插件）。

4.總結(jié)

本文描述了靜態(tài)鏈接的過程和基本原理，其在輸出文件里整合了所有的.o文件信息，這就是“打包”后變大的原因，接下來的文章將去講述動態(tài)鏈接原理，去理解其如何做到縮小程序體積以及“一次編譯，多程序調(diào)用”。