Linux库链接与加载详解

本文深入解析了Linux系统中库链接与加载的底层机制，涵盖了从目标文件（.o）到可执行程序形成的完整过程。文章首先介绍了ELF文件的组成结构，包括ELF头、程序头表和节头表等关键部分，阐述了它们在程序加载过程中的作用。随后，详细阐述了静态链接与动态链接的区别与实现原理，重点剖析了GOT表和PLC在动态链接中的重要作用，以及它们如何实现地址无关代码，提升程序运行效率和内存利用率。通过阅读本文，读者可以全面了解Linux系统中程序链接与加载的底层原理，为深入理解操作系统和软件开发奠定基础。

一、目标文件

我们知道源文件经过编译链接形成可执行程序，在Windows下这两个步骤被IDEA封装的很完美，我们使用起来也非常方便；

在Linux中，我们可以通过gcc编译器来完成编译链接这一系列操作。

而源文件经过编译形成.o文件，而库文件是由.o文件形成的；那.o文件是什么呢？

.o文件被称为目标文件，也被称为可重定位目标文件；

目标文件是一个二进制文件，其格式是ELF

二、ELF文件

而我们还知道，我们源文件经过编译形成.o文件，然后再经过链接（将所有的.o文件合并，链接库文件）才能形成可执行文件。

那在链接的过程中做了什么呢？我们的.o文件为什么能够和库文件进行链接呢？

目标文件的文件格式是ELF、库文件的文件格式也是ELF、可执行文件的文件格式也是ELF

可以看到.o目标文件、共享目标文件、可执行文件的文件格式都是ELF。

ELF文件组成

.o、库文件.so（静态库.a是.o的归档文件）以及可执行文件都是ELF格式文件，那ELF文件都包含什么呢？

一般ELF文件都包含以下几部分：

ELF头（ELF Header）程序头表（program Header Table）节（Section)节头表（Section Header Table）

那这些部分都包含哪些内容呢？

在Linux系统中，我们可以通过指令readelf来查看ELF格式文件的这几个部分的内容。

节（Section）

节是ELF文件中的基本组成单位，包含了特定类型的数据；ELF文件的各种信息和数据都存储在不同的节中。

例如.text、.data、.bss等。

节头表（Section Header Table）

在ELF文件中存在非常多的节，那如何区分这些节呢？

在节头表Section Header Table中，就记录了每一个节的描述信息。（比如Name、Type、Address）

我们可以使用readelf -S来查看一个ELF文件的节头表：

这里内容比较多，只截取了一部分；

在这里面，我们可以看到存在.text代码、.data数据、rodata只读数据、.bss等。

程序头表Program Header Table

在程序头表中，记录了所有有效段和它们的属性。

在表中记录着每一段的开始位置和位移offset、长度；以及这些段如何去合并

我们可以使用readelf -l查看ELF文件的程序头表

ELF Header

在ELF Header中，记录了文件的主要特性，程序的入口地址、节的个数，大小等等。

readelf -h可以查看一个ELF文件的ELF Header

可执行程序的形成

了解了ELF文件的组成，感觉还是云里雾里的；（这里了解ELF文件中有哪几个部分组成，每一个部分大概内容即可）

那.o文件，库文件.so以及可执行文件都是ELF文件，那我们的可执行程序(文件)如何形成的呢？

这个就比较简单了，因为我们的.o文件的格式都是ELF，所以我们所有的.o文件形成可执行时，只需要将所有相同的数据节进行合并形成一个大的数据节；也就是形成一个大的ELF格式的文件。

这里简单了解一下，在后续链接和加载内容中详细说明。

ELF可执行文件的加载

我们知道一个ELF文件中存在非常多的Section，在加载到内存时，也会进行Section的合并，形成segment。

合并规则：相同属性，可读/可写/可执行等等。

这样不同的Section在加载到内存时，就会合并成segment。

而合并方式在形成ELF时就已经确定了，在ELF的程序头表Paogram Header Table中我们可以查看。

可以看到我们的.text代码段和.rodata只读数据段是被合并到一个segment的；

.got、.data和.bss段这些可读可写的数据是合并到一个segment的。

而我们ELF文件中存在那么多节，如果我们不进行合并就发发现在内存中有非常多的块4KB空间中都存在浪费的空间，而合并节形成segment就是为了减小页面碎片，提供内存使用率。还用一点就是：将相同权限的节进行合并，这样具有相同属性的节就会形成一个大的segment；这样就可以更好的进行内存管理和权限访问控制。三、链接和加载静态链接

首先我们要知道，静态链接本质上就是将我们所有的.o文件和静态库文件进行合并，形成可执行；(静态库就是.o文件的归档，所以：静态链接本质上就和将所有的.o链接起来）

那.o文件是如何链接的呢？

现在有存在code.c和fun.c两份源文件，简单代码：

代码语言：javascript代码运行次数：0运行复制

我们通过查看汇编代码可以发现，在进行库函数调用时，存在一个plc（）。
这里plc指的是什么呢？
plc简单来说就是延迟绑定
我们知道动态链接在程序加载时需要进程大量函数地址的重定位（修改大量的函数地址），显然是非常耗费时间的；并且有很多函数我们并没有调用。
为了进一步降低消耗，操作系统就会做优化：延迟绑定也就是plc。
最后在这里补充一点：库函数也会调用其他库函数，也就是库之间也存在依赖。
到这里本篇文件内容就大致结束了
简单总结：
ELF文件：ELF Header、Program Header Table、Section Header Table和Section静态链接：将所有目标文件和静态库文件进行合并，进程地址重定位。进程地址空间：在ELF格式文件中存在逻辑地址（起始位置+偏移量），起始位置为0，偏移量地址也就是虚拟地址；在进程创建时进程地址空间mm_struct中vm_area_struct中初始化数据就来源于可执行文件中的地址。动态链接：链接时在可执行文件中记录库函数所依赖的库和偏移量地址（GOT表），在加载时根据动态库在进程地址空间的映射位置进行地址重定位；这样无论库加载到内存的什么地方，都要映射到进程地址空间中，这样在执行函数时通过查找GOT表的方式进行调用。PLC延迟绑定：在第一次进行调用函数时，GOT表中指向辅助代码/stup，去查找函数真正的跳转地址，并更新GOT表；再次调用函数时，就直接跳转到函数的真正地址。
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