编译、链接、加载与运行

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编译

• 编译的主要目的是将人类可读的源代码，翻译成计算机能理解的、但是尚未封装好的半成品——目标文件(.o文件)

• 这个阶段通常分为3个小步骤：

1. 预处理（Preprocessing）

   1. 拷贝标准库里的文件代码

   2. 宏展开

   3. 条件判断保留或删除代码块

   • 输入：hello.c，输出：hello.i

2. 编译（Compilation proper）

   • 编译器进行词法分析、语法分析、语义分析和优化，最终将C代码转换成特定CPU架构的汇编代码

   • 输入：hello.i，输出：hello.s

3. 汇编（Assembly）

   • 汇编器将汇编指令翻译器二进制的机器码

   • 输入：hello.s，输出：hello.o

• 此时已经是二进制文件了，包含了所有函数的机器码，但是仍是一个半成品。比如，在调用printf()的时候，hello.o文件里其实printf的地址是未知的，只有一个占位符，表示需要用到这个printf函数，要将地址告诉它

链接

• 将多个.o文件和所需的库文件组合在一起，得到完整的可执行文件

• 链接器主要执行两个核心任务：

1. 符号解析（Symbol Resolution）

   • 检查所有.o文件，确保每一个占位符（比如对printf的引用）都能在其他的.o文件里找到对应的实体，如果找不到，就会报错undefined reference to...

2. 重定位（Relocation）

   • 计算出所有函数和变量在最终可执行文件里确切的虚拟地址，然后回去修改那些占位符（.text中的指令），把计算出的正确地址（不是物理地址）填进去

   • 链接器会将所有.o文件中性质相同的部分合并在一起，形成最终可执行文件的不同段（Segments/Sections）

段的划分

1. text段（代码段）

• 内容：程序的二进制机器码

• 特点：只读且可执行，这是重要的安全机制，防止程序意外或恶意修改自己的指令

2. .rdata段（只读数据段）

• 内容：只读数据，比如字符串常量、const型全局变量

• 特点：只读

3. .data段（已初始化数据段）

• 内容：已经被初始化的全局变量和静态变量（e.g. int global_var = 100;）

• 特点：可读可写

4. .bss段（未初始化数据段）

• 内容：未被初始化的全局变量和静态变量（e.g. static int global_array[1024];）

• 特点：可读可写。一个巧妙的优化是，在可执行文件中，.bss段几乎不占用实际空间，只记录需要多少字节大小的内存。当程序加载时，由加载器分配一块填满0的内存给它，大大减小了可执行文件在磁盘上的体积

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链接方式

静态链接动态链接

• 把静态库（如libc.a）的内容完整地复制一份，装订在可执行文件中

• 优点：得到的可执行文件是完全独立的，不依赖任何的外部库文件，可以随便拷贝到兼容的操作系统上执行

• 缺点：体积大，更新难

• 链接器在可执行文件里会记录一个信息：“我需要一个名为libc.so的共享库”

• 优点：体积小，易更新，节省内存（多个程序在运行时可以共享内存中同一份库的副本）

• 缺点：有依赖性，如果没有对应的.so文件，或者版本不对，程序就无法运行（所谓的依赖地狱）

加载与运行

• 当我们从shell中敲下./hello并回车时，操作系统内核的加载器开始工作

• 不过我们首先要知道，通过编译、链接得到的可执行文件里包含了什么？

可执行文件的组成

• 可执行里不是只包含了机器码，而是一个高度结构化的容器

1. 文件头（ELF Header）

• 这标识了文件的各种信息：文件的类型（可执行文件、库文件），目标硬件架构（x86,ARM等），入口点地址（程序从哪里开始第一行执行）等关键信息

2. 程序头表（Program Header Table）

• 这是给操作系统加载器看的蓝图。它表述了文件中哪些部分（如.text节）应该被加载到内存的什么位置，以及加载后这块内存区域应该设置成什么权限（读、写、执行），它定义了内存“段”的布局

3. 节头表（Section Header Table）

• 这是给链接器和调试器看的材料清单。它详细描述了文件里所有的Section（这与内存中的段 Segment 密切相关），比如.text, .data, .bss, .symbol(符号表)，.debug_info(调试信息)等，以及它们在文件中的位置和大小

4. 其他信息

• 符号表：记录了函数名、变量名和他们地址的对应关系，是调试和动态链接的基础

• 重定位信息：在生成动态链接库（.so）或者位置无关代码时需要

• 调试信息：如果编译时开启了-g选项，会包含源代码行号、变量类型等丰富的调试信息

1. 创建虚拟空间

• 加载器做的第一件事，不是把整个文件读进内存，而是为新程序创建一个独立的、全新的虚拟地址空间（Virtual Address Space）。这块地址从0x0000...到0xFFFF...都属于这个新进程

2. 内存映射（Memory Mapping）

• 接下来是最关键的一步，加载器会读取ELF文件的程序头表 (Program Header Table)，这里面记录了哪些段需要被加载到内存，以及它们的权限。

• 加载器使用 mmap 系统调用，将文件的不同段映射到虚拟地址空间中，而不是真的“复制”过去。

  • 将 .text 段 映射到一块内存，并设置权限为 Read-Execute。

  • 将 .rodata 段 映射到一块内存，并设置权限为 Read-Only。

  • 将 .data 段 映射到一块内存，并设置权限为 Read-Write。

  • 为 .bss 段 申请一块匿名的、全为0的内存，并设置权限为 Read-Write。

• 这种“映射”是一种延迟加载技术。只有当程序真正访问到某一块代码或数据时，内核才会触发一个缺页中断(Page Fault)，然后才去从磁盘文件中读取那一页的数据到物理内存中。这大大加快了程序的启动速度。

3. 处理动态链接

• 如果程序是动态链接的（绝大多数程序都是），加载器会看到ELF头中指定了一个程序解释器，通常是 /lib/ld-linux-x86-64.so.2 (在x86上) 或 /lib/ld-linux-riscv64-lp64d.so.1 (在RISC-V上)。

• 此时，内核会先加载并启动这个动态链接器。然后，动态链接器会接管后续工作：

• 读取程序所需的共享库列表（如libc.so.6）。

• 在系统中查找并加载这些 .so 文件到进程的地址空间。

• 进行运行时的重定位，修复所有对共享库函数的调用地址（这通常通过修改GOT/PLT表来完成）。

4. 移交控制权

• 一切准备就绪后，内核会为程序设置好堆栈（Stack），将命令行参数（argc, argv）和环境变量压栈。

• 最后，加载器将CPU的指令指针 (Instruction Pointer / Program Counter) 设置为ELF文件中记录的入口点地址 (_start 符号)，然后执行一条跳转指令。

• 至此，CPU的控制权正式从内核空间移交到了用户空间的程序手中。程序开始从 _start 执行，然后调用 main，一个鲜活的进程就此诞生。