靜態連結
前面目的檔章節介紹 ELF 檔案格式
此章節說明如果有兩個目的檔要如何連結
這裡使用 a.c 和 b.c 兩個檔案當範例
# a.c
extern int shared;
int main()
{
int a = 100;
swap(&a, &shared);
return 0;
}
# b.c
int shared = 1;
void swap(int *a, int *b)
{
*a ^= *b ^= *a ^= *b;
}
readelf -s a.o
Symbol table '.symtab' contains 11 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS a.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1
3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3
4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4
5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6
6: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7
7: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5
8: 0000000000000000 44 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
9: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND shared
10: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND swap
$ readelf -s b.o
Symbol table '.symtab' contains 10 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS b.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1
3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 2
4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3
5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5
6: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6
7: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4
8: 0000000000000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 2 shared(全域符號)
9: 0000000000000000 74 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 swap (全域符號)
空間和位址分配
連結器就是將不同目的檔合成一個
其中有兩種方法，一種將不同的目的檔直接疊加在後面
另一種方法是類似區段合併(.text 合併、.data 合併)
之後所講的空間分配為虛擬位址空間的分配
目前連結器採用兩步連結方式
第一步空間與位址分配，取得目的檔各區間的長度、屬性、位置
並將符號表中所有符號定義和引用收集起來統一放到全域符號表
第二步符號解析和重定，符號解析和重定，調整程式碼中位址。
連結器可用ld來連結
$ld a.o b.o -e main -o ab
# -e main 表示進入點是 main
# 如果不加預設由 _start 進入，警告如下
# ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 00000000004000e8
下面看目的檔的分配
$ objdump -h a.o
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 0000002c 0000000000000000 0000000000000000 00000040 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, RELOC, READONLY, CODE
1 .data 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0000006c 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
2 .bss 00000000 0000000000000000 0000000000000000 0000006c 2**0
ALLOC
......
$ objdump -h b.o
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 0000004a 0000000000000000 0000000000000000 00000040 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
1 .data 00000004 0000000000000000 0000000000000000 0000008c 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
2 .bss 00000000 0000000000000000 0000000000000000 00000090 2**0
ALLOC
$ objdump -h ab
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .text 00000076 00000000004000e8 00000000004000e8 000000e8 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
2 .data 00000004 00000000006001b8 00000000006001b8 000001b8 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
VMA = 虛擬位址，LMA = 載入位址，一般來說會一樣
a.o
+---------------+
| File Header | 0x40
+---------------+
| .text | 0x2C
+---------------+
b.o
+---------------+
| File Header | 0x40
+---------------+
| .text | 0x4a
+---------------+
| .data | 0x04
+---------------+
ab.o
+---------------+
| File Header | 0xe8
+---------------+
| .text | 0x76 (a.o + b.o)
+---------------+
| .data | 0x04 (b.o)
+---------------+
VM
+---------------+ 0x6001BC
| .data | Size = 0x4
+---------------+ 0x6001b8
+---------------+ 0x40015E
| .text | Size = 0x76
+---------------+ 0x4000e8
這裡書上有提到 ELF 可執行檔預設由 0x08048000 開始，不過實際上卻沒有?
符號位址確定
上面第一步已完成，主要就是分配 ab 區段的 VMA 起始位址
符號解析與重定
空間位址分配好之後，就進入符號解析與重定步驟
先使用 objdump 對 a.o 進行反組譯
程式裡面使用的都是 VMA，例如下面的 main 起始位址就是 0x0
未進行空見分配前目的檔都是以 0x0 開始，空間分配結束才會知道 VMA
此函式的 main 佔用 0x2b byte，共 12 行指令
$ objdump -d a.o
a.o: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .text:
0000000000000000 <main>:
0: 55 push %rbp
1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4: 48 83 ec 10 sub $0x10,%rsp
8: c7 45 fc 64 00 00 00 movl $0x64,-0x4(%rbp)
f: 48 8d 45 fc lea -0x4(%rbp),%rax
13: be 00 00 00 00 mov $0x0,%esi
18: 48 89 c7 mov %rax,%rdi
1b: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
20: e8 00 00 00 00 callq 25 <main+0x25>
25: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
2a: c9 leaveq
2b: c3
`
下面指令是將shared的引用指定到esi暫存器
13: be 00 00 00 00 mov $0x0,%esi
全域建構與解構
實際上程式並不是由 main 開始執行
main 之前會做一些事情，例如堆積分配初始化 malloc、free
建構式也是在 main 之前執行，一般入口為 _start (Glibs)
因此在 ELF 中還定義兩種區段，.init 和 .fini
ABI
不同編譯器編出的目的檔不一定可以連結
如果要能連結需要滿足一些條件
同樣的目的檔格式
同樣的名稱修飾標準
同樣的記憶體配置
......
這些和可執行檔相容性相關的內容稱為 ABI
ABI 是二進位層面的介面，例如 C++ 物件記憶體配置是 ABI 的一部分
有一個包好的函示庫為 libc.a 位於/usr/lib/x86_64-linux-gnu$
使用ar來看此函示庫包了什麼目的檔
$ar -t libc.a
1 init-first.o
2 libc-start.o
3 sysdep.o
4 version.o
5 check_fds.o
6 libc-tls.o
7 elf-init.o
8 dso_handle.o
9 errno.o
10 init-arch.o
11 errno-loc.o
12 hp-timing.o
13 iconv_open.o
14 iconv.o
15 iconv_close.o
16 gconv_open.o
17 gconv.o
18 gconv_close.o
19 gconv_db.o
20 gconv_conf.o
21 gconv_builtin.o
22 gconv_simple.o
23 gconv_trans.o
24 gconv_cache.o
25 gconv_dl.o
26 catnames.o
27 mb_cur_max.o
28 setlocale.o
29 findlocale.o
30 loadlocale.o
31 loadarchive.o
32 localeconv.o
33 nl_langinfo.o
......
# 查看符號表
$objdump -t libc.a
5977 printf.o: file format elf64-x86-64
5978
5979 SYMBOL TABLE:
5980 0000000000000000 l d .text 0000000000000000 .text
5981 0000000000000000 l d .data 0000000000000000 .data
5982 0000000000000000 l d .bss 0000000000000000 .bss
5983 0000000000000000 l d .comment 0000000000000000 .comment
5984 0000000000000000 l d .note.GNU-stack 0000000000000000 .note.GNU-stack
5985 0000000000000000 l d .eh_frame 0000000000000000 .eh_frame
5986 0000000000000000 g F .text 000000000000009e __printf
5987 0000000000000000 *UND* 0000000000000000 stdout
5988 0000000000000000 *UND* 0000000000000000 vfprintf
5989 0000000000000000 g F .text 000000000000009e printf
5990 0000000000000000 g F .text 000000000000009e _IO_printf
最小的程式
一般的 Helloworld 使用 main 加 printf
不過這邊實際上會用到 C 的函示庫，這裡希望脫離函示庫的概念
但實際上測試後並沒有出現字串，不知是否是平臺問題
char * str = "Hello world!\n";
void print()
{
asm( "movl $13,%%edx \n\t"
"movl $0,%%ecx \n\t"
"movl $0,%%ebx \n\t"
"movl $4,%%eax \n\t"
"int $0x80 \n\t"
::"r"(str):"edx","ecx","ebx");
}
void exit()
{
asm( "movl $42,%ebx \n\t"
"movl $1,%eax \n\t"
"int $0x80 \n\t");
}
void nomain()
{
print();
exit();
}