技术文章：连接器的技术内幕

连接器，是把目标文件连接成可执行文件或动态库的工具。

它是将高级语言代码转化成二进制程序的最后一步。

编译之后的目标文件里，函数和全局变量的地址并不是真实内存地址，而是一个重定位符号。

连接器的作用，就是把这些重定位符号处理成真实的内存地址。

int printf(const char* fmt, ...);

int mAIn()

printf("hello world");

return 0;

这段代码在编译时有2个没法确定的数据：一是printf()函数的地址，二是字符串常量"hello world"的地址。

printf()函数是个库函数，它的地址可以在动态库里，也可以在静态库里，还可以在其他.o文件里，编译器是没法提前知道的。

字符串常量"hello world"是一个全局常量，它要放在.rodata数据段里。

.rodata数据段的位置编译器也是没法确定的，因为最终可能是多个目标文件连接成1个可执行程序，.rodata数据段的具体位置需要连接器来确定。

所以，编译器就在生成.o文件时就添加1个重定位节、1个符号表，他们包含2个重定位信息：printf()和"hello world"。

然后，由连接器去重写真实的内存地址。

上面代码用gcc -c编译成.o文件之后，用readelf -a查看它的信息，如下图：

ELF头

从ELF头可以看出，编译后的文件是可重定位文件，运行的系统架构是x86_64。

从它各个节的列表里可以找到.rela.text重定位节和.rodata节，前者存储重定位信息，后者存储常量数据。

各个节的列表

重定位节.rela.text的内容有2条：

1，一个指向.rodata节，表示这条重定位的地址在.rodata段里。

2，另一个没有具体的节，但给了一个函数名puts，表示要找的是这个函数（gcc在编译时都是把printf转化成puts函数）。

重定位节和符号表

在上图的符号表.symtab节里，也可以找到这2条信息：

1，其中的第5条（从0开始）就是"hello world"字符串的信息：它是一个LOCAL的字符串，也就是它的数据在当前文件里的某个节（SECTION），这个节的索引号是5（Ndx列）。

去上面的节列表里查找，可以发现.rodata段确实是第5个节。

2，第11条就是puts()函数的信息，它是GLOBAL的全局函数，不在当前文件的某个节里（Ndx是UND，undefined），需要连接器去其他地方找（库文件、其他.o文件，etc）。

Ndx这一列表示重定位数据所在的节，当前文件里实现的函数或变量都有节的索引号，但外部全局函数的索引号都是不确定的（UND）。

代码段，main函数的机器码

从代码段.text里的main()函数的机器码可以看出，装载"hello world"字符串的指令和调用printf()的指令里的地址都是00 00 00 00。

也就是说，这里需要的真实内存地址是32位的整数，有待连接器进一步填写。

00 00 00 00也就是高级语言里的NULL，在代码里都是无效的内存地址，如果不重填的话肯定会发生段错误。

lea指令装载全局变量时使用的内存地址，是变量地址与当前指令地址的偏移量。

rip，指令指针寄存器，它存的是当前指令的地址，x86_64对全局变量的寻址，都是使用的这种方式。

如果是静态连接，连接器把静态库.a和main函数的.o文件合在一起，然后修改这两个地址就可以了。

如果是动态连接，还需要用到全局偏移量表（GOT，global offset table）和PLT（过程连接表，procedure linkage table）。

动态连接之后的ELF头

gcc动态连接之后生成的可执行文件。

以前gcc都是生成可执行文件EXEC，现在都是生成动态库DYN直接运行了（即使main函数所在的文件也这样）。

上图ELF头可以看出类型是DYN，入口地址是0x530。

节的列表

动态链接之后文件有特别多的节，其中以.dyn开头的都是动态库相关的节。

.plt、.plt.got、.got，这3个就是动态连接所必须的节。

.rela.plt和.rodata依然存在，内容和静态连接得差不多。

所需的动态库信息

因为程序运行时要首先加载所需的动态库，所以必须含有动态库的信息，如上图。

这个程序比较简单，只需要libc.so.6库。

以下两图是重定位节的内容和动态库支持的库函数列表，可以看到他们都包含puts()函数，即main()函数所需的printf()。

重定位节

动态库函数的信息

最后简单说一下plt和got的内容：

plt分为2个节.plt和.plt.got。

.plt是只读的可执行代码，.plt.got是可写的数据。

操作系统不允许在运行时修改代码，只允许在运行时修改数据，所以动态连接的程序要想获得库函数的地址必须要一个小技巧[呲牙]

加载器必须把库函数的地址放在一个全局的函数指针变量里，然后让一段过渡代码去调用这个函数指针，从而实现动态运行。

这个全局的函数指针就是.plt.got里的一项。

当程序需要多个库函数时，这些函数指针就形成了一个函数指针数组，这就是.plt.got表。

调用（多个）库函数的过渡代码数组就是.plt表：它是有运行权限的，而且是只读的。

如下图：

1，最开始的时候，这个函数指针是加载器的加载函数。

2，当第一次调用puts()函数，加载函数会去动态库里查找它的真实地址，并填写在这里。

3，之后再调用时，就直接调用puts()函数了。

这是linux系统动态库函数的需求加载机制。

如果是普通变量，把它的地址放在.got表里就行。

动态库函数的需求加载