Linux下的lds链接脚本简介（一）

Linux下的lds链接脚本简介（一）

小狼@http://blog.csdn.net/xiaolangyangyang

一、 概论

每一个链接过程都由链接脚本(linker script, 一般以lds作为文件的后缀名)控制. 链接脚本主要用于规定如何把输入文件内的section放入输出文件内, 并控制输出文件内各部分在程序地址空间内的布局. 但你也可以用连接命令做一些其他事情.

连接器有个默认的内置连接脚本, 可用ld –verbose查看. 连接选项-r和-N可以影响默认的连接脚本(如何影响?).

-T选项用以指定自己的链接脚本, 它将代替默认的连接脚本。你也可以使用以增加自定义的链接命令.

以下没有特殊说明，连接器指的是静态连接器.

二、基本概念

链接器把一个或多个输入文件合成一个输出文件.

输入文件: 目标文件或链接脚本文件.

输出文件: 目标文件或可执行文件.

目标文件(包括可执行文件)具有固定的格式, 在UNIX或GNU/Linux平台下, 一般为ELF格式

有时把输入文件内的section称为输入section(input section), 把输出文件内的section称为输出section(output sectin).

目标文件的每个section至少包含两个信息: 名字和大小. 大部分section还包含与它相关联的一块数据, 称为section contents(section内容). 一个section可被标记为“loadable(可加载的)”或“allocatable(可分配的)”.

loadable section: 在输出文件运行时, 相应的section内容将被载入进程地址空间中.

allocatable section: 内容为空的section可被标记为“可分配的”. 在输出文件运行时, 在进程地址空间中空出大小同section指定大小的部分. 某些情况下, 这块内存必须被置零.

如果一个section不是“可加载的”或“可分配的”, 那么该section通常包含了调试信息. 可用objdump -h命令查看相关信息.

每个“可加载的”或“可分配的”输出section通常包含两个地址: VMA(virtual memory address虚拟内存地址或程序地址空间地址)和LMA(load memory address加载内存地址或进程地址空间地址). 通常VMA和LMA是相同的.

在目标文件中, loadable或allocatable的输出section有两种地址: VMA(virtual Memory Address)和LMA(Load Memory Address). VMA是执行输出文件时section所在的地址, 而LMA是加载输出文件时section所在的地址. 一般而言, 某section的VMA == LMA. 但在嵌入式系统中, 经常存在加载地址和执行地址不同的情况: 比如将输出文件加载到开发板的flash中(由LMA指定), 而在运行时将位于flash中的输出文件复制到SDRAM中(由VMA指定).

可这样来理解VMA和LMA, 假设:

(1) .data section对应的VMA地址是0×08050000, 该section内包含了3个32位全局变量, i、j和k, 分别为1,2,3.

(2) .text section内包含由”printf( “j=%d “, j );”程序片段产生的代码.

连接时指定.data section的VMA为0×08050000, 产生的printf指令是将地址为0×08050004处的4字节内容作为一个整数打印出来。

如果.data section的LMA为0×08050000，显然结果是j=2

如果.data section的LMA为0×08050004，显然结果是j=1

还可这样理解LMA:

.text section内容的开始处包含如下两条指令(intel i386指令是10字节，每行对应5字节):

jmp 0×08048285

movl $0×1,%eax

如果.text section的LMA为0×08048280, 那么在进程地址空间内0×08048280处为“jmp 0×08048285”指令, 0×08048285处为movl $0×1,%eax指令. 假设某指令跳转到地址0×08048280, 显然它的执行将导致%eax寄存器被赋值为1.

如果.text section的LMA为0×08048285, 那么在进程地址空间内0×08048285处为“jmp 0×08048285”指令, 0×0804828a处为movl $0×1,%eax指令. 假设某指令跳转到地址0×08048285, 显然它的执行又跳转到进程地址空间内0×08048285处, 造成死循环.

符号(symbol): 每个目标文件都有符号表(SYMBOL TABLE), 包含已定义的符号(对应全局变量和static变量和定义的函数的名字)和未定义符号(未定义的函数的名字和引用但没定义的符号)信息.

符号值: 每个符号对应一个地址, 即符号值(这与c程序内变量的值不一样, 某种情况下可以把它看成变量的地址). 可用nm命令查看它们. (nm的使用方法可参考本blog的GNU binutils笔记)

三、 脚本格式

链接脚本由一系列命令组成, 每个命令由一个关键字(一般在其后紧跟相关参数)或一条对符号的赋值语句组成. 命令由分号‘;’分隔开.

文件名或格式名内如果包含分号’;'或其他分隔符, 则要用引号‘”’将名字全称引用起来. 无法处理含引号的文件名.

/* */之间的是注释。

四、 简单例子

在介绍链接描述文件的命令之前, 先看看下述的简单例子:

以下脚本将输出文件的text section定位在0×10000, data section定位在0×8000000:

SECTIONS

{

. = 0×10000;

.text : { *(.text) }

. = 0×8000000;

.data : { *(.data) }

.bss : { *(.bss) }

}

解释一下上述的例子:

. = 0×10000 : 把定位器符号置为0×10000 (若不指定, 则该符号的初始值为0).

.text : { *(.text) } : 将所有(*符号代表任意输入文件)输入文件的.text section合并成一个.text section, 该section的地址由定位器符号的值指定, 即0×10000.

. = 0×8000000 ：把定位器符号置为0×8000000

.data : { *(.data) } : 将所有输入文件的.data section合并成一个.data section, 该section的地址被置为0×8000000.

.bss : { *(.bss) } : 将所有输入文件的.bss section合并成一个.bss section，该section的地址被置为0×8000000+.data section的大小.

连接器每读完一个section描述后, 将定位器符号的值*增加*该section的大小. 注意: 此处没有考虑对齐约束.

五、 简单脚本命令

ENTRY(SYMBOL) ：将符号SYMBOL的值设置成入口地址。

入口地址(entry point)是指进程执行的第一条用户空间的指令在进程地址空间的地址

ld有多种方法设置进程入口地址, 按一下顺序: (编号越前, 优先级越高)

1, ld命令行的-e选项

2, 连接脚本的ENTRY(SYMBOL)命令

3, 如果定义了start符号, 使用start符号值

4, 如果存在.text section, 使用.text section的第一字节的位置值

5, 使用值0

INCLUDE filename : 包含其他名为filename的链接脚本

相当于c程序内的的#include指令, 用以包含另一个链接脚本.

脚本搜索路径由-L选项指定. INCLUDE指令可以嵌套使用, 最大深度为10. 即: 文件1内INCLUDE文件2, 文件2内INCLUDE文件3… , 文件10内INCLUDE文件11. 那么文件11内不能再出现 INCLUDE指令了.

INPUT(files): 将括号内的文件做为链接过程的输入文件

ld首先在当前目录下寻找该文件, 如果没找到, 则在由-L指定的搜索路径下搜索. file可以为 -lfile形式，就象命令行的-l选项一样. 如果该命令出现在暗含的脚本内, 则该命令内的file在链接过程中的顺序由该暗含的脚本在命令行内的顺序决定.

GROUP(files) : 指定需要重复搜索符号定义的多个输入文件

file必须是库文件, 且file文件作为一组被ld重复扫描，直到不在有新的未定义的引用出现。

OUTPUT(FILENAME) : 定义输出文件的名字

同ld的-o选项, 不过-o选项的优先级更高. 所以它可以用来定义默认的输出文件名. 如a.out

SEARCH_DIR(PATH) ：定义搜索路径，

同ld的-L选项, 不过由-L指定的路径要比它定义的优先被搜索。

STARTUP(filename) : 指定filename为第一个输入文件

在链接过程中, 每个输入文件是有顺序的. 此命令设置文件filename为第一个输入文件。

OUTPUT_FORMAT(BFDNAME) : 设置输出文件使用的BFD格式

同ld选项-o format BFDNAME, 不过ld选项优先级更高.

OUTPUT_FORMAT(DEFAULT,BIG,LITTLE) : 定义三种输出文件的格式(大小端)

若有命令行选项-EB, 则使用第2个BFD格式; 若有命令行选项-EL，则使用第3个BFD格式.否则默认选第一个BFD格式.

TARGET(BFDNAME)：设置输入文件的BFD格式

同ld选项-b BFDNAME. 若使用了TARGET命令, 但未使用OUTPUT_FORMAT命令, 则最用一个TARGET命令设置的BFD格式将被作为输出文件的BFD格式.

ASSERT(EXP, MESSAGE)：如果EXP不为真，终止连接过程

EXTERN(SYMBOL SYMBOL …)：在输出文件中增加未定义的符号，如同连接器选项-u

FORCE_COMMON_ALLOCATION：为common symbol(通用符号)分配空间，即使用了-r连接选项也为其分配

NOCROSSREFS(SECTION SECTION …)：检查列出的输出section，如果发现他们之间有相互引用，则报错。对于某些系统，特别是内存较紧张的嵌入式系统，某些section是不能同时存在内存中的，所以他们之间不能相互引用。

OUTPUT_ARCH(BFDARCH)：设置输出文件的machine architecture(体系结构)，BFDARCH为被BFD库使用的名字之一。可以用命令objdump -f查看。

可通过 man -S 1 ld查看ld的联机帮助, 里面也包括了对这些命令的介绍.

六、 对符号的赋值

在目标文件内定义的符号可以在链接脚本内被赋值. (注意和C语言中赋值的不同!) 此时该符号被定义为全局的. 每个符号都对应了一个地址, 此处的赋值是更改这个符号对应的地址.

举例. 通过下面的程序查看变量a的地址:

a.c文件

/* a.c */

#include <stdio.h>

int a = 100;

int main()

{

printf( "&a=%p\n", &a );

return 0;

}

a.lds文件

/* a.lds */

a = 3;

编译命令：

$ gcc -Wall -o a-without-lds.exe a.c

运行结果：

&a = 0×601020

编译命令：

$ gcc -Wall -o a-with-lds.exe a.c a.lds

运行结果：

&a = 0×3

注意: 对符号的赋值只对全局变量起作用!

对于一些简单的赋值语句，我们可以使用任何c语言语法的赋值操作:

SYMBOL = EXPRESSION ;

SYMBOL += EXPRESSION ;

SYMBOL -= EXPRESSION ;

SYMBOL *= EXPRESSION ;

SYMBOL /= EXPRESSION ;

SYMBOL >= EXPRESSION ;

SYMBOL &= EXPRESSION ;

SYMBOL |= EXPRESSION ;

除了第一类表达式外, 使用其他表达式需要SYMBOL已经被在某目标文件的源码中被定义。

. 是一个特殊的符号，它是定位器，一个位置指针，指向程序地址空间内的某位置(或某section内的偏移，如果它在SECTIONS命令内的某section描述内)，该符号只能在SECTIONS命令内使用。

注意：赋值语句包含4个语法元素：符号名、操作符、表达式、分号；一个也不能少。

被赋值后，符号所属的section被设值为表达式EXPRESSION所属的SECTION(参看11. 脚本内的表达式)

赋值语句可以出现在连接脚本的三处地方：SECTIONS命令内，SECTIONS命令内的section描述内和全局位置。

示例1：

floating_point = 0; /* 全局位置 */

SECTIONS

{

.text :

{

*(.text)

_etext = .; /* section描述内 */

}

_bdata = (. + 3) & ~ 4; /* SECTIONS命令内 */

.data : { *(.data) }

}

PROVIDE关键字

该关键字用于定义这类符号：在目标文件内被引用，但没有在任何目标文件内被定义的符号。

示例2：

SECTIONS

{

.text :

{

*(.text)

_etext = .;

PROVIDE(etext = .);

}

}

这里，当目标文件内引用了etext符号，却没有定义它时，etext符号对应的地址被定义为.text section之后的第一个字节的地址。

参考文献：Linux下的lds链接脚本简介