程序员的自由修养（3）静态链接

链接器的工作过程可以分成两步，一、空间与地址分配；二、符号解析与重定位，下面详细介绍下这两步的工作原理。

一、静态链接

1、空间与地址分配

静态链接的输入是一组目标文件（.obj，由编译器生成）和静态库（.lib，本质是目标文件的集合）。完成空间与地址分配后就可以确定所有符号的虚拟地址，核心工作如下：

• 扫描所有的输入目标文件，获取它们的各个段的长度、属性和位置。将多个目标文件中相同类型的段合并为一个大段，计算输出文件中各个段合并后的长度与位置，并建立映射关系。
• 将输入文件中的符号表中的所有符号定义及引用收集起来，统一放到一个全局符号表。

示例代码：

// util.cpp
#include "util.h"

int shared = 1;
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// util.h
#pragma once
int add(int a, int b);

// main.cpp
#include "util.h"
extern int shared;
int main()
{
    int a = 10, b = 20;
    shared = add(a, b);
    return 0;
}

2、符号解析与重定位

使用第一步收集到的信息，读取输入文件中的段的数据、重定位信息，并进行符号解析与重定位、调整代码中的地址，这一步是链接的核心，特别是重定位的过程。

2.1、编译源文件

编译源文件

cl /Zi /Od main.cpp util.cpp  # 生成符号信息并禁用优化

分别查看util.obj与main.obj对应的反汇编代码

• util.obj段反汇编信息：

E:\VS_Workspace\Example>dumpbin /DISASM util.obj
Microsoft (R) COFF/PE Dumper Version 14.43.34808.0
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.


Dump of file util.obj

File Type: COFF OBJECT

?add@@YAHHH@Z (int __cdecl add(int,int)):
  0000000000000000: 89 54 24 10        mov         dword ptr [rsp+10h],edx
  0000000000000004: 89 4C 24 08        mov         dword ptr [rsp+8],ecx
  0000000000000008: 8B 44 24 10        mov         eax,dword ptr [rsp+10h]
  000000000000000C: 8B 4C 24 08        mov         ecx,dword ptr [rsp+8]
  0000000000000010: 03 C8              add         ecx,eax
  0000000000000012: 8B C1              mov         eax,ecx
  0000000000000014: C3                 ret

• main.obj反汇编信息：

E:\VS_Workspace\Example>dumpbin /DISASM main.obj
Microsoft (R) COFF/PE Dumper Version 14.43.34808.0
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.


Dump of file main.obj

File Type: COFF OBJECT

main:
  0000000000000000: 48 83 EC 38        sub         rsp,38h
  0000000000000004: C7 44 24 24 0A 00  mov         dword ptr [rsp+24h],0Ah
                    00 00
  000000000000000C: C7 44 24 20 14 00  mov         dword ptr [rsp+20h],14h
                    00 00
  0000000000000014: 8B 54 24 20        mov         edx,dword ptr [rsp+20h]
  0000000000000018: 8B 4C 24 24        mov         ecx,dword ptr [rsp+24h]
  000000000000001C: E8 00 00 00 00     call        ?add@@YAHHH@Z
  0000000000000021: 89 05 00 00 00 00  mov         dword ptr [?shared@@3HA],eax
  0000000000000027: 33 C0              xor         eax,eax
  0000000000000029: 48 83 C4 38        add         rsp,38h
  000000000000002D: C3                 ret

通过分析main.obj对应的反汇编代码，引用的add及shared地址都是一个临时的地址，重定位过程就是把这些临时地址修改成实际的虚拟地址。

2.2、重定位表

链接器怎么知道哪些指令需要调整？这些指令的那些部分需要被调整？如何进行调整？在重定位表里面有记录记录编译时未确定地址的符号，让链接器在链接时修正。

• main.obj重定位表（简化版）：

E:\VS_Workspace\Example>dumpbin /relocations main.obj
Microsoft (R) COFF/PE Dumper Version 14.43.34808.0
Copyright (C) Microsoft Corporation.  All rights reserved.

RELOCATIONS #3
                                                Symbol    Symbol
 Offset    Type              Applied To         Index     Name
 --------  ----------------  -----------------  --------  ------
 0000001D  REL32                      00000000         9  ?add@@YAHHH@Z (int __cdecl add(int,int))
 00000023  REL32                      00000000        12  ?shared@@3HA (int shared)

• 重定位表字段解析

2.3、符号重定位

在 main.cpp 中，有两个外部符号需要重定位：shared（全局变量） 与 add（函数调用），重定位的流程如下：

• 获取符号虚拟地址：根据全局符号表，确定 shared 和 add 的最终虚拟地址，空间与地址分配后每个符号的虚拟地址已经确定（虚拟地址 = 基址 + 段偏移 + 符号偏移）。
• 修正重定位条目：
  • 对于 DIR32 类型（如 shared）：
    • 找到 main.obj 中 Offset 指定的位置，填入 shared 的绝对地址（如 0x00403000）。
  • 对于 REL32 类型（如 add）：
    • 计算 call add 指令与 add 函数地址的相对偏移。
    • 将计算出的偏移值写入 REL32 指定的位置。
• 生成最终可执行文件：
  • 所有重定位修正完成后，生成可执行文件。

2.4、链接生成可执行文件

把main.obj与util.obj链接生成main.exe，链接命令如下：

E:\VS_Workspace\Example>link /OUT:main.exe /DEBUG main.obj util.obj

• 链接后main函数反汇编代码：

从反汇编代码可以看到，之前未确定的地址都已重定位到符号的实际虚拟地址。