title: 链接过程剖析 date: 2014-11-05 10:47:06 categories: 编译器

tags: [链接, 重定位]

我们将用下面的代码作为实例进行分析。

// main.c
void swap(int *a, int *b);

int main(void)
{
    int a, b;
    a = 42;
    b = 24;
    swap(&a, &b);

    return 0;
}

// util.c
#include <stdio.h>

void print() {
    printf("hello, world.");
}

void swap(int *a, int *b) {
    int tmp;
    tmp = *a;
    *a = *b;
    *b = tmp;
}

编译如下：

gcc -c main.c util.c
gcc main.c util.c

这样我们得到三个文件： main.o, util.o, a.out， .o文件为可重定位文件(linkable file)，a.out为最终的可执行文件(executable file)

我们的上游产品长什么样

到现在为止，在linker的角度看，有两个可供我们使用的材料：main.o和util.o， linker将把这两个文件链接成一个可执行文件(a.out)。

我们称.o文件为模块，让我们来看看这两个模块长什么样子。

补充两个相关的数据结构定义：

typedef struct {
    int name;       // index in String table
    int value;      // offset in section or VM address
    int size;
    char type:4;    // data, func, section, src file etc.
         binding:4; // local or global
    char reserved;
    char section;   // section number, e.g. 1(.text), 3(.data)
} Elf_Symbol;

说明：

value字段，如果重定位(见下)类型为相对地址引用，则value保存的是相对于其所在 section的偏移量，如果是绝对地址引用，它保存的是运行时虚拟内存地址。

typedef struct {
    int offset;    // 需要重定位的符号在section中的偏移，即重定位它
    int symbol:24; // 符号名字在字符串表中的索引，即重定位到它
        type:8;    // 重定位类型，即如何重定位
} Elf32_Rel;

符号表表示“当前模块可对外提供哪些符号”，而重定位表表示“当前模块需要哪些符号”。

静态重定位

静态重定位有两部分组成：

1. 重定位section并修改符号表和重定位表
2. 重定位section中对symbol的引用

重定位section

linker把所有.o的.text合并为一个新的.text，把所有.symtab合并为一个 .symtab，把所有的.ref.text合并为一个.ref.text。然后为每个合并后的 section确定运行时地址，是的，运行时地址在链接阶段就一定确定了，0x8048000 和0x400000这样的虚拟地址就是在这个时候确定的。

合并.text section并设置运行时地址值，

注意：

sizeof(.text of main.o) == 0x400524 - 0x4004f4 = 0x30;

这个值在修改符号表和重定位表的时候会用到。

合并.symtab section并修改symbol的offset值，

注意，0x30即为上面计算得出的0x30：

value of print = 0x30 = 0x00 + 0x30 = old value + 0x30;

合并.rel.text section并修改offset值，

注意： 因为main.o中的.text section在新的.text section中为第一个， 所以以前的偏移量仍然有效，故新、旧值相等。

重定位section中对symbol的引用

.symtab和.rel.text在合并时就一并修改了，但是.text却没有修改具体内容， 其内容中对symbol的引用还没有更新，这是因为对.text内容的修改需要用到.symtab 和.rel.text，现在它们都准备妥当了，是时候更新.text中对symbol的引用了。

1. 需要更新哪些引用呢？.text中都是二进制比特，如何区分哪些是需要更新的引用？ .rel.text中记录的就是需要更新的引用。
2. 这些引用需要更新为什么内容呢，即新的地址是什么？.symtab中有记录。
3. 如何更新呢，即更新算法是什么？.rel.text中每个条目都记录了更新方法。

重定位类型，即rel.text中type定义的类型，有很多种，但是最常用的只有两种：

1. 相对地址引用，R_386_PC32，R_X86_64_PC32，不同体系结构名称不同
2. 绝对地址引用，R_386_32，R_X86_64_32，不同体系结构名称不同

相对地址引用是从当前正在执行的指令的PC值开始计数，当CPU碰到相对地址引用时， 会取出当前的PC值，然后跟引用值相加，这样就得到正确的地址了。比如 0x400500: call 0x7，CPU执行到这条指令的时候就会取出当前PC值(0x400500）， 然后加上引用值(0x7)，于是得到新的指令地址(0x400507)，就会跳转到该值处 的函数继续执行。

绝对地址引用是从所在的section开始计数，即绝对地址引用就是节内偏移量。

重定位算法如下，

/*
    RT_ADDR(x): 获取x的运行时地址
 */
foreach section s {
    foreach relocation entry r {
        /*
            refptr: 合并后的section中，需要更新的引用的地址
            s: 合并后section的地址，如txt_sec_ptr
            r.offset: 需要更新的引用在section中的偏移量(合并section时已经更新过了)
         */
        refptr = s + r.offset;

        // 更新相对地址引用
        if(r.type == R_386_PC32) {
            // 运行时引用的地址 = 运行时section的地址 + 引用的偏移量
            rt_refaddr = RT_ADDR(s) + r.offset;
            /* 
                更新合并后的section中引用的值。
                括号中的减法很显然，symbol的运行时地址减掉引用的运行时地址，
                就得到了偏移量，这不就结束了吗，为何还要加上 *refptr 呢？
                见后面的分析。
             */
            *refptr = (RT_ADDR(r.symbol) - rt_refaddr) + *refptr;
        }

        // 更新绝对地址引用
        if(r.type == R_386_32) {
            // 为何还要加一个 *refptr(总是零？)
            *refptr = RT_ADDR(r.symbol) + *refptr;
        }
    }
}

为何还要加上*refptr？

根本原因是PC总是指向当前指令的下一条指令。所以我们要想得到当前指令地址就要根据 下一条指令地址计算才行，但是当前指令是多大呢？这个在编译的时候会知道，另外不同 的指令编码方式(32bit? 64bit?)也会对这个偏移产生影响，所以在编译期就确定这个微调 的值，从而链接器就不用大费周章的去区分不同机器的指令编码方式了。

更新相对地址引用

1. 取得需要更新的引用的链接时地址： txt_sec_ptr + 重定位表项中记录的offset
2. 计算该引用的运行时地址： RT_ADDR(.text) + 重定位表项中记录的offset，section 的运行时地址是链接器固定死的，如0x8048000、0x400000等。
3. 计算所引用symbol的运行时地址： RT_ADDR(r.symbol)
4. (3) - (2)记得到相对地址，然后赋值到(1)的地址处。

更新绝对地址引用

1. 取得需要更新的引用的链接时地址： txt_sec_ptr + 重定位表项中记录的offset
2. 取得symbol的地址，直接赋值到(1)的地址处即可。

(over)