链接、装载与库——静态链接

*赶紧结束这本书的总结。。太拖了。。→_→*

第四章 静态链接

1.链接器的空间与地址分配

链接器为目标文件分配地址和空间
可执行文件中的代码段和数据段由输入的目标文件中合并而来。

• 按序叠加：直接将各个目标文件依次合并
  
  缺点：若有多个目标文件，则可能造成输出文件中有很多零散的段。每个段都有空间对齐要求，可能造成内存空间的大量内部碎片。

• 相似段合并：将相同性质的段合并到一起
  

  • “.bss”段在目标文件和可执行文件中并不占用文件的空间（此空间指实际的物理数据空间），但其在装载时占用地址空间（此空间指虚拟地址空间）。

  • 使用此策略的链接器一般都是两步链接（Two-pass Linking）
    第一步：空间地址分配。扫描所有的输入目标文件，获取各段长度、属性和位置，将它们合并，计算出输出文件中各段合并后的长度和位置，并建立映射关系（此时为合并之后的各段分配虚拟地址）。将符号表中的符号定义和符号引用收集，统一放到一个全局符号表。
    第二步：符号解析与重定位。读取输入文件中段的数据、重定位信息，进行符号的解析与重定位、调整代码中的地址。

2.链接器的符号解析与重定位

• 重定位：目标文件在链接的空间分配之前，代码段中的起始地址为0x00000000。编译器在编译阶段使用临时的假地址表示未知符号的地址，而将真正的地址计算工作留给链接器。链接器完成空间与地址分配后，根据符号的虚拟地址对每个需要重定位的指令进行修正。

• 重定位表（Relocation Table）：保存与重定位相关的信息，用来描述如何修改相应的指令。每个要被重定位的ELF段都有一个对应的重定位表（或叫重定位段）。比如：“.rel.text”、“.rel.data”。

• //重定位表结构typedef struct{    //被重定位的地方叫**重定位入口（Relocation Entry）**    //表示重定位入口的**偏移**    //对于可重定位文件，即**所要修正的位置的第一个字节相对段起始的偏移**    //对于可执行文件或共享对象文件，即**所要修正的位置的第一个字节的虚拟地址**    Elf32_Addr r_offset;    //**重定位入口的类型和符号**，低8位表示重定位入口的类型，高24位表示重定位入口的符号在符号表中的下标     Elf32_Word r_info;}Elf32_Rel;

• 符号解析：重定位的过程中，每个重定位的入口都是一个符号的引用，当链接器对某个符号的引用进行重定位时，链接器会去查找由所有输入目标问价的符号表组成的全局符号表，找到相应的符号后进行重定位。

3.C++与静态链接的问题

• C++编译器可能在不同的编译单元中生成相同的代码（模板（Templates）、外部内联函数（Extern Function）、虚函数表（Virtual Function Table））。
  若不消除重复代码，可能造成空间浪费、地址出错（两个函数指针不相等）、指令运行效率低（CPU对指令和数据进行缓存，副本过多造成指令Cache命中率低）

• 解决方法：将每个模板的实例代码都单独存放在一个段里，每个段只包含一个模板实例。这样链接器在最终链接时可以区分相同的模板实例段，将它们合并入代码段。

• GCC中叫做“Link Once”，将此类段命名为“.gun.linkonce.name”，“name”是该模板函数实例的修饰后名称

• 当用到某个目标文件中的一个函数或变量时，需要将其整个链接，随着文件数量地增多，造成输出文件越来越大。
  Visual C++中使用函数级别链接（Function-Level Linking）选项，其作用就是让所有的函数都单独保存到一个中，当链接器用到它时，就将其合并到输出文件中，抛弃没有用到的函数。
  这种方减少了输出文件地大小，减少了空间浪费。但会减慢编译和链接过程，因为链接器要计算个函数之间的依赖关系，且目标函数段数量增大，重定位过程也会变得复杂。

4.静态库链接

• 静态库是一组目标文件的集合，即很多目标文件经过压缩打包后形成的一个文件
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• 链接器自动寻找所有需要的符号及其所在的目标文件从静态库中“解压”出来
• 静态库中的一个目标文件只包含一个函数，每个函数独立的存放在一个目标文件中可以尽量减少空间浪费