（第20章）LinuxC本质中多目标文件的链接、静态库、共享库、虚拟内存管理

文章目录

• 一、多目标文件的链接

• 1.将<用堆栈实现倒序打印>的代码拆成两个程序文件

• （1）编译
• （2）用 nm 命令查看目标文件的符号表：nm 目标文件
• （3）查看可执行文件的符号表：readelf -a 可执行文件
• （3）实际上链接的过程是由一个链接脚本（Linker Script） 控制的：默认链接脚本：ld --verbose

• 二、定义和申明

• 1.为什么编译器在处理函数调用代码时需要有函数原型？
• 前提：只有两个文件：main.c以及stack.c文件

• （1）gcc的-wall选项可以看到不加函数声明的错误
• （2）隐式声明靠不住，修改<用堆栈实现倒序打印>
• （3）外链接extern修饰函数声明的用法及作用
• （4）内链接static修饰函数声明的用法及作用
• （5）外链接extern修饰变量声明的用法及作用

• 函数声明的 extern 可写可不写，而变量声明如果不写 extern 意思就完全变了

• （6）内链接static修饰变量声明的用法及作用

• 2.头文件：将上面的main.c中的函数声明写在了stack.h中

• （1）头文件的作用
• （2）include角括号和引号的区别

• （a）tree查看代码文件树和#include预处理指示中可以使用相对路径
• （b）预处理指示 #ifndef STACK_H #endif有什么用？
• （c）为什么需要防止重复包含？
• （d）重复包含头文件会有如下问题
• （e）为什么要包含头文件而不是 .c 文件？

• 3.定义和声明的详细规则

• （1）关键字对函数声明的作用
• （2）关键字对变量声明的作用

• 四、静态库

• （2）编译以及打包成静态库XXX.a

• gcc -L -l（小） -I（大）

• （3）链接共享库和静态链接库有什么区别？

• 五、共享库

• 1. 编译、链接、运行

• （1）gcc -c -fPIC xx.c xxx.c文件和gcc -c xx.c xxx.c生成的目标文件有什么不同？

• 目标文件一般称为重定位文件

• （iiii）那么运行时在哪些路径下找共享库呢？用ldd 可执行文件
• （iiiii）解决共享库not fund问题的四种方法

• 2.动态链接过程

• 共享库的特点

• 3.共享库的命名惯例

• （1）系统的共享库通常带有符号链接，其link name在编译链接时使用

• 动态库的优点

• 六、虚拟内存管理

• （1）通过进程id，查看其虚拟地址空间
• （2）进程地址空间
• （3）虚拟内存管理MMU起到了什么作用呢？
• （4）为啥进程地址空间是独立的？注：共享库的加载地址是运行时决定的！

一、多目标文件的链接

1.将<用堆栈实现倒序打印>的代码拆成两个程序文件

• stack.c 实现堆栈，main.c 使用堆栈
• 解释：这段程序和原来有点不同，在<LinuxC语言中栈、队列、DFS、BFS，循环队列>中 top 总是指向栈顶元素的下一个元素，而在这段程序中 top 总是指向栈顶元素，所以要初始化成-1才表示空堆栈，这两种堆栈使用习惯都很常见
• a 和 b 这两个变量没有用，只是为了顺便说明链接过程才加上的

/* stack.c */
char stack[512];
int top = -1;
void push(char c)
{
	stack[++top] = c;
}
 char pop(void)
{
	return stack[top--];
} 
int is_empty(void)
{
	return top == -1;
}

/* main.c */
#include <stdio.h>
int a, b = 1;
int main(void)
{
	push('a');
	push('b');
	push('c');
	while(!is_empty())
	putchar(pop());
	putchar('\n');
	return 0;
}

（1）编译

（2）用 nm 命令查看目标文件的符号表：nm 目标文件

（3）查看可执行文件的符号表：readelf -a 可执行文件

• 执行readelf -a main

（3）实际上链接的过程是由一个链接脚本（Linker Script） 控制的：默认链接脚本：ld --verbose

1.为什么编译器在处理函数调用代码时需要有函数原型？

前提：只有两个文件：main.c以及stack.c文件

（1）gcc的-wall选项可以看到不加函数声明的错误

（2）隐式声明靠不住，修改<用堆栈实现倒序打印>

（3）外链接extern修饰函数声明的用法及作用

• 在这里只有两个文件：main.c以及stack.c文件，而main.c想要用stack.c中的函数，就得这样写；



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（4）内链接static修饰函数声明的用法及作用

（5）外链接extern修饰变量声明的用法及作用

• 以上函数和变量声明也可以写在 main 函数体里面，使所声明的标识符具有块作用域：

函数声明的 extern 可写可不写，而变量声明如果不写 extern 意思就完全变了

（6）内链接static修饰变量声明的用法及作用

2.头文件：将上面的main.c中的函数声明写在了stack.h中

（1）头文件的作用

• 重复的代码总是应该尽量避免的，可以自己写一个头文件 stack.h ：



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• 这样在 main.c 中只需包含这个头文件就可以了，而不需要写三个函数声明：



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（2）include角括号和引号的区别

• 角括号： gcc 首先查找 -I选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录（通常是 /usr/include ，在我的系统上还包括 /usr/lib/gcc/i486-linux-gnu/4.3.2/include ）
• 引号： gcc 首先查找包含头文件的 .c 文件所在的目录，然后查找 -I 选项指定的目录，然后查找系统的头文件目录

（a）tree查看代码文件树和#include预处理指示中可以使用相对路径

（b）预处理指示 #ifndef STACK_H #endif有什么用？

（c）为什么需要防止重复包含？

（d）重复包含头文件会有如下问题

（e）为什么要包含头文件而不是 .c 文件？

3.定义和声明的详细规则

（1）关键字对函数声明的作用

（2）关键字对变量声明的作用

（1）我们继续用 stack.c 的例子。为了便于理解，我们把 stack.c 拆成四个程序文件（虽然实际上没太大必要） ，把 main.c 改得简单一些，头文件 stack.h 不变，本节用到的代码如下所示：

（2）编译以及打包成静态库XXX.a

• 我们把 stack.c 、 push.c 、 pop.c 、 is_empty.c 编译成目标文件：



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• 然后打包成一个静态库 libstack.a ：



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gcc -L -l（小） -I（大）

• 然后我们把 libstack.a 和 main.c 编译链接在一起



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（3）链接共享库和静态链接库有什么区别？

• 反汇编看上一步生成的可执行文件 main ：



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1. 编译、链接、运行

（1）gcc -c -fPIC xx.c xxx.c文件和gcc -c xx.c xxx.c生成的目标文件有什么不同？

目标文件一般称为重定位文件

• 组成共享库的目标文件和一般的目标文件有所不同，在编译时要加 -fPIC 选项



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• 我们知道一般的目标文件称为Relocatable，在链接时可以把目标文件中各段的地址做重定位，重定位时需要修改指令

（a）我们先不加 -fPIC 选项编译生成目标文件：

（i）首先，反汇编查看push.o的目标文件

• 指令中凡是用到 stack 和 top 的地址都用0x0表示，准备在重定位时修改；
  （ii）再看 readelf 输出的 .rel.text 段的信息，标出了指令中有四处需要在重定位时修改：



• （iii）下面编译链接成可执行文件之后再做反汇编分析：



• （b）现在看用 -fPIC 编译生成的目标文件有什么不同
  （i）
• 指令中用到的 stack 和 top 的地址不再以0x0表示，而是以 0x0(%ebx) 表示 但其中还是留有0x0准备做进一步修改。



• （ii）再看 readelf 输出的 .rel.text 段



• （iii）我们先编译生成共享库再做反汇编分析：



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（iiii）那么运行时在哪些路径下找共享库呢？用ldd 可执行文件

• 总之，共享库的搜索路径由动态链接器决定，从 ld.so(8) 的Man Page可以查到共享库路径的搜索顺序：



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（iiiii）解决共享库not fund问题的四种方法

方法1（不推荐）：

方法2（最常用）：ldconfig

• 现在再用 ldd 命令查看， libstack.so 就能找到了：



• 方法3：



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方法4（不推荐）：gcc的选项：-Wl，-rpath

2.动态链接过程

（1）研究一下在 main.c 中调用共享库的函数 push 是如何实现的

• 首先反汇编看一下 main 的指令：



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• 和 “静态库”链接静态库不同， push 函数没有链接到可执行文件中。而且 call 80483d8 push@plt；这条指令调用的也不是 push 函数的地址；

共享库的特点

• 共享库是位置无关代码，在运行时可以加载到任意地址，其加载地址只有在动态链接时才能确定， 所以在 main 函数中不可能直接通过绝对地址调用 push 函数，也是通过间接寻址来找 push 函数的。

• 对照着上面的指令，我们用 gdb 跟踪一下：



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3.共享库的命名惯例

（1）系统的共享库通常带有符号链接，其link name在编译链接时使用

• 按照共享库的命名惯例，每个共享库有三个文件名：real name、soname和linker name，真正的库文件（而不是符号链接） 的名字是real name，包含完整的共享库版本号。例如上面的 libcap.so.1.10 、 libc-2.8.90.so 等。

动态库的优点

• soname是一个符号链接的名字



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• linker name仅在编译链接时使用，gcc 的 -L 选项应该指定linker name所在的目录。
  有的linker name是库文件的一个符号链接，有的linker name是一段链接脚本，
  例如上面的 libc.so 就是一个linker name，它是一段链接脚本：



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• 下面重新编译我们的 libstack ，指定它的soname：



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（1）通过进程id，查看其虚拟地址空间

• 我们知道操作系统利用体系结构提供的VA到PA的转换机制实现虚拟内存管理
• eg如下：



• 解释说明如下：
• 用 ps 命令查看当前终端下的进程，得知 bash 进程的id是29977，然后用 cat /proc/29977/maps 命令查看它的虚拟地址空间
• /proc 目录中的文件并不是真正的磁盘文件，而是由内核虚拟出来的文件系统
• 当前系统中运行的每个进程在 /proc 下都有一个子目录，目录名就是进程的id， 查看目录下的文件可以得到该进程的相关信息

（2）进程地址空间

• x86平台的虚拟地址空间是0x0000 0000~0xffff ffff，大致上前3GB（0x0000 0000~0xbfff ffff） 是用户空间，后1GB（0xc000 0000~0xffff ffff） 是内核空间
• /lib/ld-2.8.90.so 就是动态链接器 /lib/ld-linux.so.2 ，后者是前者的符号链接。标有 [vdso] 的地址范围是 linux-gate.so.1 的映射空间，我们讲过这个共享库是由内核虚拟出来的



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（3）虚拟内存管理MMU起到了什么作用呢？

（4）为啥进程地址空间是独立的？注：共享库的加载地址是运行时决定的！