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当一个工程中有多个文件的时候,链接的本质就是要把多个不同的目标文件相互粘到一起。就想玩具积木一样整合成一个整体。为了使不同的目标文件之间能够相互粘合,这些目标文件之间必须要有固定的规则才行。比如目标文件B用到了目标文件A中的函数”foo”,那么我们就称目标文件A定义了函数foo,目标文件B引用了函数foo。每个函数和变量都有自己独特的名字,避免链接过程中不同变量和函数之间的混淆。在链接过程中,我们将函数和变量统称为符号。函数或者变量名就是符号名 每一个目标文件都会有一个相应的符号表,这个表里面记录了目标文件中所用到的所有符号。每个定义的符号有一个对应的值,叫做符号值,对于变量和函数来说, 符号值就是它们的地址。我们可以通过nm命令来查看目标文件中的符号结果。 root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# nm main.o 0000000000000000 T func1 0000000000000004 C global_init_var U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 0000000000000000 D global_var 0000000000000024 T main U printf 0000000000000000 b static_var2.2257 0000000000000004 d static_var.2256 符号表条目有如下结构(from elf.h): typedef struct { ELF32_Word st_name; ELF32_Addr st_value; ELF32_Word st_size; unsigned char st_info; unsigned char st_other; Elf32_Half sth_shndx; } Elf32_Sym; ELF符号表域说明: 域 描述 st_name 符号串表索引. 串表用于保存符号名. st_value 符号值: 符号的section索引为SHN_COMMON:符号对齐要求. 重定位文件:离section起始位置的偏移. 执行文件:符号的地址. st_size 对象大小. st_info >> 4 高4位定义符号的绑定[binding ]: STB_LOCAL (0) symbol is local to the file STB_GLOBAL (1) symbol is visible to all object files STB_WEAK (2) symbol is global with lower precedence st_info & 15 低4位定义符号的类型: STT_NOTYPE (0) 无类型 STT_OBJECT (1) 数据对象(变量) STT_FUNC (2) 函数 STT_SECTION (3) section名 STT_FILE (4) 文件名 st_other 未使用. st_shndx 定义符号sectiond的索引.特殊的section数包括: SHN_UNDEF (0x0000) 未定义section SHN_ABS (0xfff1) 绝对, 不可重定位符号 SHN_COMMON (0xfff2) 不分配, 外部变量
符号所在的段 宏定义名 值 说明 SHN_ABS 0xfff1 该符号包含了一个绝对值,比如表示文件名的符号 SHN_COMMON 0xfff2 表示该符号是一个"COMMON块"的符号 一般来说,未初始化的全局符号定义就是这种类型的。 SHN_UNDEF 0 该符号在本目标文件中被引用到,但是定义在其他目标文件中
我们还是通过readelf命令来查看下main.o文件中的符号。下面的结果和上面的表可以进行一一对应。 root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# readelf -s main.o
Symbol table '.symtab' contains 17 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND 1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS main.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 5 6: 0000000000000004 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 3 static_var.2256 7: 0000000000000000 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 4 static_var2.2257 8: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7 9: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8 10: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6 11: 0000000000000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 global_var 12: 0000000000000004 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT COM global_init_var 13: 0000000000000000 36 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 func1 14: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 15: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf 16: 0000000000000024 40 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
弱符号与强符号 我们经常在编程中碰到一种情况叫符号重复定义。多个目标文件中含有相同名字全局符号的定义,那么这些目标文件链接的时候将会出现符号重复定义的错误。比如我们在目标文件A和目标文件B都定义了一个全局整形变量global,并将它们都初始化,那么链接器将A和B进行链接时会报错: 1 b.o:(.data+0x0): multiple definition of `global' 2 a.o:(.data+0x0): first defined here
这种符号的定义可以被称为强符号(Strong Symbol)。有些符号的定义可以被称为弱符号(Weak Symbol)。对于C语言来说,编译器默认函数和初始化了的全局变量为强符号,未初始化的全局变量为弱符号(C++并没有将未初始化的全局符号视为弱符号)。我们也可以通过GCC的"__attribute__((weak))"来定义任何一个强符号为弱符号。注意,强符号和弱符号都是针对定义来说的,不是针对符号的引用。比如我们有下面这段程序: extern int ext; int weak1; int strong = 1; int __attribute__((weak)) weak2 = 2; int main() { return 0; } 上面这段程序中,"weak"和"weak2"是弱符号,"strong"和"main"是强符号,而"ext"既非强符号也非弱符号,因为它是一个外部变量的引用。链接器会按照如下的规则处理被多次定义的全局符号: 规则1:不允许强符号被多次定义。 规则2:如果一个符号在某个目标文件中是强符号,在其他文件中都是弱符号,那么选择强符号。 规则3:如果一个符号在所有的目标文件中都是弱符号,那么选择其中占用空间最大的一个。 我们来看一个实际的例子:在下面的代码中f()没有被定义,因此会报错 int main() { f(); return 0; } g++ -o bin/Debug/linux_c obj/Debug/chapter8.o obj/Debug/main.o obj/Debug/main.o:在函数‘main’中: /home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/main.c:15:对‘f’未定义的引用 如果将代码改成如下: void __attribute__((weak)) f(); int main() {
if (f){ f(); } return 0; } 居然编译通过了,甚至成功执行!让我们看看为什么? 首先声明了一个符号f(),属性为weak,但并不定义它,这样,链接器会将此未定义的weak symbol赋值为0,也就是说f()并没有真正被调用,试试看,去掉if条件,肯定core dump! 我们甚至可以定义强符号来override弱符号: test.c中代码如下 #include #include void __attribute__((weak)) f(){ printf("original f()\n"); } int main(int argc,char *argv[]){ f(); return 0; } test1.c中的代码如下: #include void f(void){ printf("override f()\n"); } 执行结果如下: root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# gcc -c test.c test1.c root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# gcc -o test test.o test1.o root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# ./test override f()
在Linux程序的设计中,如果一个程序被设计成可以支持单线程或多线程的模式,就可以通过弱引用的方法来判断当前的程序是链接到了单线程的Glibc库还是多线程的Glibc库(是否在编译时有-lpthread选项),从而执行单线程版本的程序或多线程版本的程序。我们可以在程序中定义一个pthread_create函数的弱引用,然后程序在运行时动态判断是否链接到pthread库从而决定执行多线程版本还是单线程版本: #include #include int pthread_create( pthread_t*, const pthread_attr_t*, void* (*)(void*), void*) __attribute__ ((weak));
int main() { if(pthread_create) { printf("This is multi-thread version!\n"); // run the multi-thread version // main_multi_thread() } else { printf("This is single-thread version!\n"); // run the single-thread version // main_single_thread() } } 执行结果如下: $ gcc pthread.c -o pt $ ./pt This is single-thread version! $ gcc pthread.c -lpthread -o pt $ ./pt This is multi-thread version!
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