命名：C源文件中都有什么班缎？
這部分是介紹 C源文件的組成蝴光，如果你熟悉下列代碼，可以進(jìn)入下一小結(jié)达址。
第一步需要區(qū)分 申明(declarations) 和 定義(definitions),
定義關(guān)聯(lián)一個(gè)名字并且有代碼或者數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)名字：
1. 定義一個(gè)變量蔑祟，讓編譯器給該變量分配空間，可能給這個(gè)空間分配一個(gè)值沉唠。
2. 定義一個(gè)函數(shù)疆虚，讓編譯器給這個(gè)函數(shù)產(chǎn)生代碼。
聲明告訴 C 編譯器在當(dāng)前程序中有這個(gè)定義，可能在別的 C源文件中径簿。（注意：定義有時(shí)會(huì)看成聲明罢屈，當(dāng)其位置在聲明的地方時(shí)）。
接下來(lái)是對(duì)于變量篇亭，有兩種類型定義：
1. 全部變量缠捌，存在于整個(gè)程序的生命周期中("static extent")，在很多不同的函數(shù)中可以獲取到译蒂。
2. 局部變量鄙币，僅存在于一個(gè)特定的函數(shù)中("local extent")，僅通過(guò)這個(gè)函數(shù)才能獲取到這個(gè)變量蹂随。
(這里的獲取十嘿，是說(shuō)可以引用這個(gè)變量)
這里有兩個(gè)特例：
1. 靜態(tài)局部變量，實(shí)際上是全局變量岳锁，因?yàn)樗嬖谟谡麄€(gè)生命周期绩衷，但只能從這個(gè)特定函數(shù)獲取。
2. 同樣的靜態(tài)全局變量也可以看成全局變量激率，雖然只能在它定義的 C文件中獲取到咳燕。
這里我們把焦點(diǎn)放在了關(guān)鍵字 "靜態(tài)(static)" 上，需要指出的是將一個(gè)函數(shù)變?yōu)殪o態(tài)函數(shù)乒躺，可以減少其他地方引用該函數(shù)的行數(shù)(特別是通過(guò)同一個(gè) C文件的不同函數(shù)) -> 此處我的理解是函數(shù)的定義代碼被共享了招盲，不會(huì)在引用的地方再展開(kāi)函數(shù)。
對(duì)于全局變量和局部變量定義嘉冒，我們還可以區(qū)分變量是否初始化(也就是說(shuō)曹货，與特定名稱關(guān)聯(lián)的空間是否預(yù)先填充了特定值)。
最后讳推，我們可以通過(guò) malloc 或者 new 把信息動(dòng)態(tài)地存儲(chǔ)到內(nèi)存顶籽，沒(méi)有辦法通過(guò)名稱直接訪問(wèn)分配的內(nèi)存，所以我們必須通過(guò)指針(一個(gè)命名變量保留著一段內(nèi)存地址)银觅。這個(gè)內(nèi)存地址可以通過(guò) free 或者 delete 來(lái)銷毀礼饱，所以這被引用的空間有個(gè)動(dòng)態(tài)的范圍(dynamic extent)。
總結(jié)一下：
/* This is the definition of a uninitialized global variable */
int x_global_uninit;
/* This is the definition of a initialized global variable */
int x_global_init = 1;
/* This is the definition of a uninitialized global variable, albeit
* one that can only be accessed by name in this C file */
static int y_global_uninit;
/* This is the definition of a initialized global variable, albeit
* one that can only be accessed by name in this C file */
static int y_global_init = 2;
/* This is a declaration of a global variable that exists somewhere
* else in the program */
extern int z_global;
/* This is a declaration of a function that exists somewhere else in
* the program (you can add "extern" beforehand if you like, but it's
* not needed) */
int fn_a(int x, int y);
/* This is a definition of a function, but because it is marked as
* static, it can only be referred to by name in this C file alone */
static int fn_b(int x)
{
return x+1;
}
/* This is a definition of a function. */
/* The function parameter counts as a local variable */
int fn_c(int x_local)
{
/* This is the definition of an uninitialized local variable */
int y_local_uninit;
/* This is the definition of an initialized local variable */
int y_local_init = 3;
/* Code that refers to local and global variables and other
* functions by name */
x_global_uninit = fn_a(x_local, x_global_init);
y_local_uninit = fn_a(x_local, y_local_init);
y_local_uninit += fn_b(z_global);
return (y_global_uninit + y_local_uninit);
}
C 編譯器做了什么究驴？
C 編譯器的任務(wù)是將人們可讀的代碼翻譯為機(jī)器可理解的代碼镊绪。編譯器的輸出為目標(biāo)文件(Object file)。在 UNIX 平臺(tái)這些目標(biāo)文件通常以 .o 結(jié)尾洒忧，Windows 上以 .obj 結(jié)尾蝴韭。目標(biāo)文件的內(nèi)容是最基礎(chǔ)的兩類東西：
1. 代碼 C 文件中響應(yīng)的函數(shù)定義
2. 數(shù)據(jù) C 文件中全局變量的定義(對(duì)于初始化的全局變量，初始值已經(jīng)保存在目標(biāo)文件中了)
這兩種類型的實(shí)例跑慕，都有名字與其關(guān)聯(lián)(變量和函數(shù)的名字是在定義的時(shí)候產(chǎn)生的)万皿。
目標(biāo)文件代碼是一系列的機(jī)器指令摧找，和程序員寫入的 C 指令相關(guān)聯(lián)(if /while /goto)核行。所有這些指令都需要處理一些信息牢硅，這些信息需要保存在某個(gè)地方，這是變量的工作芝雪。該代碼還可以引用其他代碼位减余，尤其是程序中的其他C函數(shù)。
在任何地方惩系，代碼如果能夠引用一個(gè)變量或者函數(shù)位岔，編譯器必須提前看到這個(gè)變量或者函數(shù)的聲明(聲明約定了定義存在于整個(gè)程序的某個(gè)地方)。
鏈接器的任務(wù)就是遵守這些約定堡牡，但編譯器是怎樣在生成目標(biāo)文件的同時(shí)處理所有的約定的呢抒抬？
基本上，編譯器會(huì)留下一個(gè)空白晤柄〔两＃空白(“引用”)有一個(gè)與之關(guān)聯(lián)的名稱，但是與該名稱對(duì)應(yīng)的值未知芥颈。
我們可以描述上個(gè)示例的引用關(guān)系如下：
剖析一個(gè)目標(biāo)文件
到目前為止惠勒，我們都是在上層來(lái)分析的；看看在實(shí)際中底層如何工作這也很重要爬坑。這里用到的關(guān)鍵工具是 nm ,用它可以獲取 NUIX 平臺(tái)一個(gè)目標(biāo)文件的標(biāo)記(symbols)信息纠屋。Windows平臺(tái)可以用 dumpbin 帶上 /symbols 來(lái)大致產(chǎn)生相同的效果；這里也有提供了一個(gè) Windows 版本的 nm 工具盾计。
讓我們看看通過(guò) nm 工具獲取到上面示例目標(biāo)文件的信息：
不同平臺(tái)下的輸出會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)不同(查看 nm 的 pages 頁(yè)可以查找出版本的特性)售担，但是給出的關(guān)鍵信息是每個(gè)符號(hào)(symbol)的類別(class)和大小(size)，class有不同的值：
- "U" 是指未定義的引用署辉，上文說(shuō)的編譯器留出的空缺是其中一種灼舍。在這個(gè)目標(biāo)文件中，有兩個(gè) "U" 類型 "fn_a" 和 "z_global"涨薪。(一些 nm 版本可能會(huì)打印一個(gè)詞語(yǔ)骑素，如 "UND" 或者 "UNDEF")
- "t" "T" 是指這個(gè)函數(shù)定義了，"t" 是說(shuō)函數(shù)定義在同一個(gè)文件下刚夺，"T"是說(shuō)函數(shù)定義在其他文件下(函數(shù)初始定義的地方是靜態(tài)的"static")献丑。(同樣，一些系統(tǒng)下會(huì)顯示為一個(gè)詞語(yǔ), 如 ".text")
- "d" "D" 是指初始化的全局變量侠姑，同樣 "d" 是定義在同一個(gè)文件下创橄，"D"是定義在其他文件下("static")。( ".data")
- "b" "B" "C" 是指未初始化的全局變量莽红，靜態(tài)的或者本文件中的是 "b", B 和 C 是其他的妥畏。(".bss" "COM")
我們可能獲取到的一些 Symbols 不是 C源文件最初輸入的一部分邦邦；我們將會(huì)忽略這些 Symbols，把它們視為編譯器內(nèi)部機(jī)制產(chǎn)生的試圖獲取我們程序的惡意鏈接醉蚁。
連接器做了什么燃辖？(一)
我們?cè)谥疤徇^(guò)，聲明一個(gè)函數(shù)或者變量就是給 C編譯器一個(gè)約定网棍，在程序的某個(gè)地方有這個(gè)函數(shù)或者變量的定義黔龟，鏈接器的作用就是達(dá)成這個(gè)約定。通過(guò)前面的目標(biāo)文件圖滥玷，我們可以進(jìn)一步闡述填充空白的過(guò)程氏身。
為了闡述填充空白，我們?cè)僭黾右粋€(gè) C文件：
/* Initialized global variable */
int z_global = 11;
/* Second global named y_global_init, but they are both static */
static int y_global_init = 2;
/* Declaration of another global variable */
extern int x_global_init;
int fn_a(int x, int y)
{
return(x+y);
}
int main(int argc, char *argv[])
{
const char *message = "Hello, world";
return fn_a(11,12);
}
將這兩幅圖放一起惑畴，我們能夠?qū)⑺械墓?jié)點(diǎn)連接起來(lái)(如果存在連接不上的點(diǎn)蛋欣，鏈接器會(huì)報(bào)錯(cuò))。每個(gè)事物都有它自己的位置如贷，每個(gè)位置都有它自己的事物陷虎，而鏈接器可以填充所有的空缺，如圖所示：
我們可以通過(guò) nm 指令來(lái)查看這兩個(gè)目標(biāo)文件鏈接后的信息：
所有的符號(hào)(Symbol)來(lái)自這兩個(gè)目標(biāo)文件倒得，所有的未定義引用都沒(méi)有了泻红。這些也都進(jìn)行了重新排序，以便將相似類型的事物放在一起霞掺，并添加了一些附加功能谊路，以幫助操作系統(tǒng)將整個(gè)事物作為可執(zhí)行程序處理。(還有很多復(fù)雜的細(xì)節(jié)使輸出雜亂無(wú)章菩彬，但是如果您濾除任何以下劃線開(kāi)頭的內(nèi)容缠劝，它將變得更加簡(jiǎn)單。)
重復(fù)的符號(hào)
上小結(jié)中有提到如果鏈接器找不到符號(hào)的定義骗灶，就會(huì)報(bào)錯(cuò)惨恭。但是如果在連接時(shí)有兩個(gè)不同的定義對(duì)應(yīng)一個(gè)符號(hào)呢？
在 C++ 中耙旦，這場(chǎng)景的處理很直接脱羡。這語(yǔ)言有嚴(yán)格的一個(gè)定義對(duì)應(yīng)一個(gè)符號(hào)的規(guī)則，在連接時(shí)只能有一個(gè)定義與符號(hào)對(duì)應(yīng)免都，不能多也不能少锉罐。(C ++標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)部分是3.2，其中還提到了一些例外情況绕娘，我們將在以后介紹脓规。)
在 C 語(yǔ)言中，這個(gè)規(guī)則有些模糊险领。任何函數(shù)或者初始化的全局變量必須有明確的定義侨舆，但是未初始化的全局變量可以視為臨時(shí)定義秒紧。C 語(yǔ)言允許(或者不禁止)不同的源文件有對(duì)一個(gè)符號(hào)的臨時(shí)定義。
然而鏈接器除了處理 C 和 C++ 外還要處理其他語(yǔ)言挨下，這些語(yǔ)言不一定適用一個(gè)定義對(duì)應(yīng)一個(gè)符號(hào)的規(guī)則熔恢。例如：Fortran語(yǔ)言的普通模型是將全局變量拷貝到引用到它的每個(gè)文件中，鏈接器要求選擇其中一個(gè)拷貝(如果他們大小不一复颈，選擇其中最大的)绩聘，將其他重復(fù)的折疊起來(lái)拋棄沥割。(這個(gè)模型被稱為鏈接器的共用模型耗啦，以 Fortran 的關(guān)鍵字 "COMMON" 命名)
因此，對(duì)于 UNIX 連接器來(lái)說(shuō)机杜，至少在重復(fù)符號(hào)是未初始化的全局變量時(shí)帜讲，通常它們不會(huì)抱怨符號(hào)的重復(fù)定義(這有時(shí)被說(shuō)成是連接的“寬松聲明/定義模型”)。如果你擔(dān)心這個(gè)問(wèn)題椒拗，查閱鏈接器的手冊(cè)通常有 "--work-properly"選項(xiàng)來(lái)嚴(yán)格限制重復(fù)定義的行為似将。例如：GUN 工具鏈就有 "-fno-common" 選項(xiàng)將未初始化的變量放在 BBS 段(BBS segment) 而不是 Common 塊(BBS block)。
操作系統(tǒng)做了什么蚀苛？
現(xiàn)在鏈接器已經(jīng)將所有的符號(hào)引用都連接到了對(duì)應(yīng)的定義在验，生成了一個(gè)可執(zhí)行程序，我們需要暫停一會(huì)兒來(lái)簡(jiǎn)明的說(shuō)明一下在程序運(yùn)行的時(shí)候堵未，操作系統(tǒng)所扮演的角色腋舌。
運(yùn)行程序顯然涉及執(zhí)行機(jī)器代碼，所以操作系統(tǒng)必須將磁盤上的可執(zhí)行文件翻譯為機(jī)器代碼送入CPU可讀取的地方--計(jì)算機(jī)內(nèi)存渗蟹。程序被送入內(nèi)存的部分被命名為代碼段(code segment)或者文本段(text segment)块饺。
沒(méi)有數(shù)據(jù)的代碼什么也不是，所以全部的全局變量也要被送入計(jì)算機(jī)內(nèi)存雌芽。然而初始化和未被初始化的全局變量是有區(qū)別的授艰。初始化的全局變量有初始值保存在之前的目標(biāo)文件和可執(zhí)行文件中。當(dāng)程序執(zhí)行起來(lái)世落，操作系統(tǒng)會(huì)將這些值拷貝到內(nèi)存的數(shù)據(jù)段(data segment)淮腾。對(duì)于未被初始化的全局變量，操作系統(tǒng)假設(shè)它們的初始值為 0屉佳，沒(méi)有必要拷貝任何值谷朝。這些初始化為0的內(nèi)存塊稱為bss段(BBS segment)。
這意味著可以將空間保存在磁盤上的可執(zhí)行文件中忘古。 初始化變量的初始值必須存儲(chǔ)在文件中徘禁，但是對(duì)于未初始化變量，我們只需要計(jì)算它們需要多少空間即可髓堪。
讀者也許注意到送朱，前面我們所討論的目標(biāo)文件和鏈接器只涉及到了全局變量娘荡，并沒(méi)有討論過(guò)局部變量和動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存(指針對(duì)象)。
其實(shí)這些數(shù)據(jù)的分配并不需要任何鏈接器的參與驶沼，因?yàn)樗鼈兊纳芷诎l(fā)生在程序的運(yùn)行時(shí)(run time)炮沐，在鏈接器完成了它的工作之后。為了文章的完整性回怜，在這里簡(jiǎn)單的介紹一下：
- 局部變量被分配在棧內(nèi)存上大年，棧內(nèi)存隨著函數(shù)的調(diào)用和完成，增長(zhǎng)或者減小玉雾。
- 動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存受到堆內(nèi)存管理翔试，malloc 函數(shù)在這個(gè)區(qū)域內(nèi)搜索可用的空間。
我們把這部分內(nèi)存分配加入到圖中复旬，完成在程序運(yùn)行時(shí)刻的內(nèi)存分配模型垦缅。因?yàn)槎押蜅Ｔ诔绦蜻\(yùn)行時(shí)大小是會(huì)隨時(shí)改變的，通常安排堆往一個(gè)方向擴(kuò)展內(nèi)存驹碍，棧往另外一個(gè)方向壁涎。通過(guò)這種方式，程序只會(huì)在這兩端相遇時(shí)耗盡內(nèi)存(此時(shí)志秃，內(nèi)存空間已經(jīng)滿了)
連接器做了什么怔球？(二)
現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了鏈接器的基本原理，接下來(lái)可以討論更復(fù)雜的細(xì)節(jié) -- 大致按照這些特性在歷史上被添加到鏈接器的順序浮还。
影響編譯器功能的主要觀察點(diǎn)是：如果有大量不同的程序需要處理同一類的事情(例如：輸出到屏幕竟坛、從磁盤讀入文件)，那么在一個(gè)地方通用該代碼并讓許多不同的程序使用它顯然很有意義碑定。
鏈接不同程序時(shí)只使用相同的目標(biāo)文件是完全可行的流码，如果將相關(guān)目標(biāo)文件的整個(gè)集合放在一個(gè)易于訪問(wèn)的地方(庫(kù) library)，則可以使工作變得更加輕松延刘。
(技術(shù)說(shuō)明:本節(jié)完全跳過(guò)了鏈接器的一個(gè)主要特性:重定位(relocation)漫试。不同的程序由不同的大小，當(dāng)共享庫(kù)(shared library)映射到程序內(nèi)存地址時(shí)碘赖，會(huì)被分配于不同的地址驾荣。也就是說(shuō)這個(gè)庫(kù)中的所有函數(shù)和變量會(huì)被分配在不同的地方。如果所有引用地址的方法都是相對(duì)的(“+1020bites”)普泡，而不是絕對(duì)的(“0x102218BF”)播掷，那么問(wèn)題就不那么嚴(yán)重了。如果不是這樣撼班，所有的絕對(duì)地址需要加上一個(gè)合適的偏移歧匈，這就是重定位(relocation)。本文沒(méi)有繼續(xù)深入這個(gè)話題砰嘁，因?yàn)?C/C++ 程序員很少會(huì)遇到這方面問(wèn)題件炉，大多數(shù)鏈接問(wèn)題不會(huì)是因?yàn)橹囟ㄎ灰鸬摹?
靜態(tài)庫(kù)
庫(kù)(library)最基本的形態(tài)是靜態(tài)庫(kù)(static library)勘究。前章節(jié)提到過(guò)可以通過(guò)復(fù)用目標(biāo)文件來(lái)共享代碼，事實(shí)證明斟冕，靜態(tài)庫(kù)確實(shí)沒(méi)有比這復(fù)雜得多口糕。
在 UNIX 系統(tǒng)上，產(chǎn)生靜態(tài)庫(kù)的指令為 ar 磕蛇，生成的靜態(tài)庫(kù)以 .a 作為擴(kuò)展名景描。這些庫(kù)文件命名通常以"lib"開(kāi)頭作為前綴，鏈接器在連接時(shí)會(huì)在名稱上去掉前綴和擴(kuò)展名秀撇，加上 "-l" 選項(xiàng)(例如："-lfred" 會(huì)鏈接"libfred.a"的庫(kù))超棺。
(過(guò)去，一個(gè)程序需要調(diào)用 "ranlib" 程序來(lái)在庫(kù)的開(kāi)頭建立符號(hào)索引(index of symbols)“仆啵現(xiàn)在 ar 工具可以完成這些工作说搅。)
當(dāng)鏈接器遍歷要連接在一起的目標(biāo)文件集合時(shí)炸枣，它會(huì)建立一個(gè)尚未解析的符號(hào)列表(unresolved list)虏等。當(dāng)完成所有明確指定的目標(biāo)后，鏈接器現(xiàn)在可以在庫(kù)中查找在未解析列表(unresolved list)上保留的符號(hào)适肠。當(dāng)未解析符號(hào)的定義在這個(gè)庫(kù)的一個(gè)目標(biāo)文件中是霍衫，這個(gè)目標(biāo)文件被加載，就像用戶首先在命令行上賦值了這個(gè)目標(biāo)文件一樣侯养，然后鏈接繼續(xù)敦跌。
請(qǐng)注意從庫(kù)中提取的粒度：如果一些符號(hào)定義是需要的，包含這些符號(hào)定義目標(biāo)文件都會(huì)被加載逛揩。這意味著該過(guò)程可以向前邁出柠傍，也可以向后邁一步 -- 新添加的目標(biāo)可以解析一個(gè)未定義的引用，但是很可能會(huì)附帶一整套新的未定義引用供鏈接器解析辩稽。
另外一個(gè)注意點(diǎn)是加載的順序：庫(kù)里的符號(hào)被鏈接只有在常用鏈接完成后才被開(kāi)始惧笛，它們是按照順序執(zhí)行的，從左至右(在鏈接行中)逞泄。這意味著患整，如果從鏈接行(link line)后期的庫(kù)中拉入的對(duì)象需要鏈接行中較早的庫(kù)中的符號(hào)，則鏈接程序?qū)⒉粫?huì)自動(dòng)找到它喷众。
下面實(shí)例可以解釋清除各谚，假設(shè)我們有如下目標(biāo)文件，和一個(gè)鏈接行拉入了 a.o到千、 b.o昌渤、 -lx 和 -ly。
一旦鏈接器處理了 a.o憔四、 b.o膀息，就能處理 b2望抽、 a3 的引用，留下了未定義引用 x12 和 y22履婉。這時(shí)煤篙，鏈接器檢查第一個(gè)庫(kù) libx.a 中的定義，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)文件 x1.o 能滿足未定義符號(hào) x12 的引用毁腿，然而又新增了 x23 和 y12 到未解析引用表辑奈。 (現(xiàn)在這個(gè)列表成了 y22、 x23 和 y12)已烤。
鏈接器仍然在處理 libx.a 鸠窗，x23 的引用很容易實(shí)現(xiàn)，只許從 libx.a 拉入目標(biāo)文件 x2.o 胯究。然而稍计，未解析引用表又新增了 y11 (現(xiàn)在列表成了 y22、y12裕循、y11)臣嚣。到目前為止，libx.a 中找不到未解析引用表中符號(hào)的定義了剥哑，所以鏈接器接下來(lái)開(kāi)始檢查 liby.a 硅则。
鏈接器按照同樣的方式處理 y1.o 和 y2.o 目標(biāo)文件。第一個(gè)加入的未定義引用 y21 很快就在 y2.o 目標(biāo)文件中找到了株婴，這時(shí)所有未定義的引用都找到了怎虫，未解析引用表清空，庫(kù)中的某些但不是全部目標(biāo)文件已包含在最終可執(zhí)行文件中困介。
注意當(dāng) b.o 目標(biāo)文件中有一個(gè)未解析引用 y32 時(shí)大审，情況會(huì)有一點(diǎn)點(diǎn)不一樣：鏈接 libx.a 的工作還是一樣，但是在處理 liby.a 時(shí)座哩，y3.o 目標(biāo)文件會(huì)被拉入進(jìn)來(lái)徒扶，同時(shí)未解析引用 x31 會(huì)被加入到未解析引用表中，鏈接會(huì)失敗八回，因?yàn)?x31 的定義在 libx.a 的 x3.o 目標(biāo)文件中酷愧，而 libx.a 已經(jīng)被鏈接器處理完了。
(順便說(shuō)一句缠诅，此示例在兩個(gè)庫(kù)libx.a和liby.a之間具有循環(huán)依賴性溶浴，這是很糟糕的事情，特別是在 Windows 系統(tǒng)下)
共享庫(kù)(動(dòng)態(tài)庫(kù))
對(duì)于諸如C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)（通常為libc）之類的流行庫(kù)管引，擁有靜態(tài)庫(kù)會(huì)存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn) -- 每個(gè)可執(zhí)行程序都具有相同代碼的副本士败。 如果每個(gè)可執(zhí)行文件都有一個(gè) printf 和 fopen 之類的副本，這會(huì)占用很多不必要的磁盤空間。
不太明顯的缺點(diǎn)是谅将，程序一旦被靜態(tài)鏈接了漾狼，其中的代碼將永遠(yuǎn)固定。如果有人發(fā)現(xiàn) printf 函數(shù)存在 bug 饥臂，所有的程序必須被重新編譯鏈接一遍來(lái)修復(fù)代碼逊躁。
為了解決這些問(wèn)題和相關(guān)問(wèn)題，引入了共享庫(kù)(通常以 .so 擴(kuò)展名表示隅熙，或者在 Windows 計(jì)算機(jī)上以 .dll 表示稽煤，在 Mac OS X 上以 .dylib 表示)。對(duì)于這些類型的庫(kù)囚戚，普通的命令行鏈接器不一定會(huì)連接所有的點(diǎn)酵熙。而是，采用一種“ IOU”便箋驰坊，并將該便箋的付款推遲到程序?qū)嶋H運(yùn)行的那一刻匾二。
歸結(jié)為：如果鏈接器發(fā)現(xiàn)特定符號(hào)的定義在共享庫(kù)中，則它在最終可執(zhí)行文件中不包含該符號(hào)的定義拳芙。而是察藐，鏈接器在可執(zhí)行文件中記錄符號(hào)的名稱以及它應(yīng)來(lái)自哪個(gè)庫(kù)。
當(dāng)程序運(yùn)行時(shí)态鳖，操作系統(tǒng)安排這些剩余的鏈接位“及時(shí)”完成转培，以使程序運(yùn)行。 在運(yùn)行主函數(shù)(main)之前浆竭，較小版本的鏈接器（通常稱為ld.so）會(huì)處理鏈接器之前添加的便簽，并在那里進(jìn)行鏈接的最后階段 -- 拉入庫(kù)中的代碼并連接所有點(diǎn)惨寿。
這意味著所有可執(zhí)行文件都沒(méi)有 printf 函數(shù)的代碼副本邦泄。 如果有新的，固定的 printf 版本可用裂垦，只需更改 libc.so 就可以使用它顺囊，下次任何程序運(yùn)行時(shí)，它將被提取蕉拢。
靜態(tài)庫(kù)和共享庫(kù)另外一個(gè)大的區(qū)別是在鏈接的顆粒度上特碳。如果一個(gè)特定的符號(hào)定義從共享庫(kù)被拉入(比如 libc.so 中的 printf 函數(shù))，整個(gè)共享庫(kù)會(huì)被映射到程序的地址空間晕换。這和靜態(tài)庫(kù)只拉入特定目標(biāo)文件不同午乓。
換句話說(shuō)，共享庫(kù)本身是由于運(yùn)行鏈接程序而產(chǎn)生的（而不是像 ar 那樣僅形成一大堆對(duì)象）闸准，并且解析了同一庫(kù)中目標(biāo)文件之間的引用益愈。再次，nm 是用于說(shuō)明這一點(diǎn)的有用工具：對(duì)于上面的示例庫(kù)，當(dāng)在庫(kù)的靜態(tài)版本上運(yùn)行時(shí)蒸其，它將為單個(gè)目標(biāo)文件生成結(jié)果集敏释，但對(duì)于庫(kù)的共享版本liby.so，它只生成一個(gè)結(jié)果集摸袁，只有 x31 作為未定義符號(hào)钥顽。此外，對(duì)于上一小節(jié)末尾的庫(kù)排序示例靠汁，也沒(méi)有問(wèn)題：將對(duì) x32 的引用添加到 b.o 中不會(huì)有鏈接錯(cuò)誤耳鸯，因?yàn)閥3.o和x3.o的所有內(nèi)容都是已經(jīng)拉進(jìn)來(lái)了。
另外一個(gè)實(shí)用的工具是 ldd膀曾，在 UNIX 系統(tǒng)中展示可執(zhí)行文件(或者靜態(tài)庫(kù))的依賴的共享庫(kù)集合县爬，以及可能在哪里找到這些庫(kù)的指示。為了使程序成功運(yùn)行添谊，加載程序需要能夠依次找到所有這些庫(kù)及其所有依賴項(xiàng)财喳。(通常，加載程序在LD_LIBRARY_PATH環(huán)境變量中包含的目錄列表中查找?guī)臁?
(更大的粒度的原因是因?yàn)楝F(xiàn)代操作系統(tǒng)足夠聰明斩狱，不僅可以節(jié)省靜態(tài)庫(kù)中的重復(fù)磁盤空間耳高，還可以節(jié)省更多；使用相同共享庫(kù)的不同運(yùn)行進(jìn)程也可以共享代碼段<不能是 data segment 或者 bss segment -- 因?yàn)楫吘共煌倪M(jìn)程處于不同的地址>所踊。為此泌枪，必須一次性映射整個(gè)庫(kù)，以便內(nèi)部引用全部排在同一位置秕岛；如果一個(gè)進(jìn)程將目標(biāo)文件 a.o 和 c.o 引入碌燕，而另一個(gè)進(jìn)程將目標(biāo)文件 b.o 和 c.o 引入，則操作系統(tǒng)將沒(méi)有任何可以利用的通用性继薛。)
C++ 語(yǔ)言特性
C++ 在 C 語(yǔ)言基礎(chǔ)上提供了一些其他特性修壕，其中一些特性和鏈接器相關(guān)。最開(kāi)始 C++ 是作為 C 語(yǔ)言編譯器的前端出現(xiàn)遏考，所以鏈接器的后端不需要改變慈鸠，但隨著時(shí)間推移，越來(lái)越多的 C++ 特性需要鏈接器來(lái)支持灌具。
多態(tài)和函數(shù)名混淆
首先介紹的 C++ 特性是函數(shù)的多態(tài)青团，同樣函數(shù)名的有不同的類型，通過(guò)不同的形參來(lái)區(qū)分：
很明顯這樣會(huì)給鏈接器帶來(lái)一個(gè)問(wèn)題：怎么知道代碼所用的 max 函數(shù)是指哪一個(gè)咖楣？
解決方案是采用一種函數(shù)名混淆的方式督笆，因?yàn)樗械暮瘮?shù)簽名都是以文本格式混淆的，這是鏈接器用的符號(hào)表的實(shí)際名稱截歉。不同的函數(shù)簽名會(huì)被混淆成不同的名字胖腾，通過(guò)這種方式，鏈接器查找函數(shù)的問(wèn)題就解決了。
本文不打算詳細(xì)介紹函數(shù)名混淆的過(guò)程咸作，(不同的平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)方式可能不一樣)锨阿，但是快速看看目標(biāo)文件相關(guān)信息能得到一些啟示(通過(guò)nm工具)：
這里，我們能看到三個(gè) max 函數(shù)在目標(biāo)文件中被定義為不同的函數(shù)名记罚，我們可以大膽的猜測(cè) "max" 后的兩個(gè)字母代表參數(shù)類型：i 是 int 墅诡、f 是 float 、d 是 double (當(dāng)類桐智、命名空間末早、操作函數(shù)加入時(shí)，命名混淆會(huì)變得更加復(fù)雜)说庭。加上 --demangle 可以得到如下結(jié)果：
當(dāng)C 語(yǔ)言和 C++ 混合使用時(shí)然磷，這種混淆方式很容易讓人犯錯(cuò)。C++ 編譯器生成的符號(hào)都是混淆的刊驴，而C編譯生成的符號(hào)和源文件中一致姿搜。為了解決這個(gè)問(wèn)題，C++ 運(yùn)行用戶使用 extern "C" 在函數(shù)定義和聲明的地方捆憎。它會(huì)告訴C++編譯器有這些特殊符號(hào)的函數(shù)名舅柜，是不用混淆處理的。
本文開(kāi)頭的實(shí)例中躲惰，可能會(huì)有很多讀者忘記鏈接C語(yǔ)言和C++時(shí)的 extern "C" 聲明致份。
在函數(shù)簽名中最大的錯(cuò)誤暗示是-- findmax 函數(shù)沒(méi)有找到，換句話說(shuō)础拨，在 C++代碼中實(shí)際是搜尋一些例如 "_Z7findmaxii" 這樣的函數(shù)氮块，而不是 "findmax"，所以會(huì)鏈接失敗太伊。
順便提醒一下雇锡，成員函數(shù)的定義中 extern "C" 會(huì)被忽略掉 (C++ 標(biāo)準(zhǔn) 7.5.4)。
靜態(tài)變量的初始化
下面介紹的另外一個(gè)特性是對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)僚焦。一個(gè)構(gòu)造函數(shù)是一段創(chuàng)建對(duì)象的代碼，在概念上它和變量的初始化一樣曙痘，主要區(qū)別是構(gòu)造函數(shù)里面會(huì)實(shí)現(xiàn)一些代碼芳悲。
再來(lái)回顧一下前面的例子全局變量有一個(gè)特殊的初始值。在C語(yǔ)言里边坤，初始化這樣的全局變量很簡(jiǎn)單：這個(gè)特殊值是從目標(biāo)文件中的 data 區(qū)拷貝過(guò)來(lái)的名扛，當(dāng)程序運(yùn)行起來(lái)在內(nèi)存中占有內(nèi)存空間。
而對(duì)于 C++ 茧痒，構(gòu)造過(guò)程要比這種從內(nèi)存中拷貝值要復(fù)雜很多肮韧，所有在這個(gè)類里面繼承下來(lái)的構(gòu)造函數(shù)中的代碼都會(huì)被執(zhí)行。
下面詳細(xì)說(shuō)明一下，編譯器在每個(gè)C++文件的目標(biāo)文件中都包含了一些額外信息，特別是構(gòu)造函數(shù)列表對(duì)于每個(gè)文件。在鏈接時(shí)亭引，鏈接器將所有的這類列表合并成一個(gè)大的列表劲厌，同時(shí)包含了一個(gè)遍歷列表的代碼，鏈接時(shí)調(diào)用所有這些全局對(duì)象構(gòu)造函數(shù)米辐。
注意這里全局變量構(gòu)造函數(shù)的調(diào)用順序是沒(méi)有被定義的 -- 完全由鏈接器決定選擇哪一個(gè)。(侯捷的高效C++書中有詳細(xì)介紹)
我們可以通過(guò) nm 來(lái)遍歷這個(gè)列表〗炝迹考慮下面的 C++ 代碼：
使用 nm --demangle 輸出如下：
這里出現(xiàn)了一些不同地方，但是我們感興趣的是兩個(gè)類名為W(表示“弱”符號(hào))和節(jié)名為“.gnu.linkonce.t.stuff”的條目圣猎。這些是全局對(duì)象的構(gòu)造函數(shù)士葫，我們看到相應(yīng)的 " " 域可以識(shí)別出，這個(gè)函數(shù)是做什么用的送悔。
動(dòng)態(tài)加載庫(kù)
這章節(jié)慢显，我們會(huì)簡(jiǎn)略討論一下動(dòng)態(tài)加載動(dòng)態(tài)庫(kù)相關(guān)知識(shí)。上一章節(jié)描述了在程序運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)庫(kù)是怎樣被鏈接的放祟。在現(xiàn)代系統(tǒng)中鳍怨，鏈接可能會(huì)推遲到更晚的時(shí)間。
加載過(guò)程通過(guò)兩個(gè)系統(tǒng)調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)跪妥，dlopen 和 dlsym（Windows下有相關(guān)的 LoadLibrary 和 GetProcAddress）鞋喇。其中第一個(gè)使用共享庫(kù)的名稱，并將其加載到正在運(yùn)行的進(jìn)程的地址空間中眉撵。當(dāng)然侦香，這些庫(kù)本身可能具有未定義的函數(shù)，因此對(duì)dlopen的調(diào)用也可能觸發(fā)其他動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載纽疟。
dlopen還允許選擇是否在加載庫(kù)時(shí)立即解析所有這些引用（RTLD_NOW）罐韩，或者當(dāng)每個(gè)未定義的引用被命中時(shí)一一的對(duì)應(yīng)(RTLD_LAZY)。第一種方式意味著dlopen調(diào)用花費(fèi)的時(shí)間更長(zhǎng)污朽，但是第二種方式則存在輕微的風(fēng)險(xiǎn)散吵，即程序稍后會(huì)發(fā)現(xiàn)存在無(wú)法解析的未定義引用，這時(shí)程序?qū)⒈唤K止蟆肆。
當(dāng)然矾睦，動(dòng)態(tài)加載庫(kù)中的符號(hào)無(wú)法命名。但是炎功，與編程問(wèn)題一樣枚冗，通過(guò)添加額外的間接級(jí)別（在這種情況下，通過(guò)使用指向符號(hào)空間的指針而不是通過(guò)名稱來(lái)引用）可以輕松解決此問(wèn)題蛇损。調(diào)用dlsym使用一個(gè)字符串參數(shù)赁温，該參數(shù)給出要找到的符號(hào)的名稱坛怪，并返回一個(gè)指向其位置的指針（如果找不到則返回NULL）。
和C++特性相關(guān)的互動(dòng)
這種動(dòng)態(tài)加載功能非常廣泛股囊，但是它如何與影響鏈接程序整體行為的 C++ 特性交互袜匿？
第一個(gè)觀察者是函數(shù)名混淆有些棘手。調(diào)用dlsym時(shí)毁涉，它將使用包含要找到的符號(hào)名稱的字符串沉帮。該名稱必須是鏈接程序可見(jiàn)的名稱。換句話說(shuō)贫堰，是函數(shù)名混淆后的名字穆壕。
因?yàn)椴煌脚_(tái)下，不同的編譯器使用的函數(shù)名混淆方式不同其屏，這意味著以一種可移植的方式動(dòng)態(tài)定位c++符號(hào)幾乎是不可能的喇勋。即使您樂(lè)于堅(jiān)持使用一個(gè)特定的編譯器并深入研究它的內(nèi)部機(jī)制，除了普通的c類函數(shù)之外偎行，還有更多的問(wèn)題等待著您去解決川背，您必須要擔(dān)心vtable之類的問(wèn)題。
總而言之蛤袒，通常最好只堅(jiān)持一個(gè)熄云，extern "C" 的入口只有 dlsym ,此入口點(diǎn)可以是工廠方法，該方法返回指向 C++ 類的完整實(shí)例的指針妙真，從而允許訪問(wèn)所有 C++ 結(jié)構(gòu)缴允。
編譯器可以為 dlopen 庫(kù)中的全局對(duì)象整理出構(gòu)造函數(shù)，因?yàn)榭梢栽趲?kù)中定義幾個(gè)特殊符號(hào)珍德，并且在動(dòng)態(tài)加載庫(kù)時(shí)鏈接器（無(wú)論是加載時(shí)還是運(yùn)行時(shí)）都將調(diào)用它們 或卸載-因此可以在其中放置必要的構(gòu)造函數(shù)和析構(gòu)函數(shù)調(diào)用练般。在Unix中，這些函數(shù)稱為_(kāi)init和_fini锈候，或者對(duì)于使用GNU工具鏈的最新系統(tǒng)薄料，這些函數(shù)都是標(biāo)有__attribute __（（constructor））或__attribute __（（destructor））的任何函數(shù)。 在Windows中泵琳，相關(guān)的函數(shù)是帶有原因參數(shù)或DLL_PROCESS_ATTACH或DLL_PROCESS_DETACH的DllMain摄职。
最后，動(dòng)態(tài)加載可以使用"重復(fù)副本"方法進(jìn)行模板實(shí)例化获列，但要使用"在鏈接時(shí)編譯模板"方法要復(fù)雜得多琳钉，在這種情況下，"鏈接時(shí)間"是在程序運(yùn)行之后（可能在 與保存源代碼的機(jī)器不同）蛛倦。 查看編譯器和鏈接器文檔以了解解決此問(wèn)題的方法。
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該頁(yè)面的內(nèi)容故意跳過(guò)了許多有關(guān)鏈接器如何工作的詳細(xì)信息啦桌，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)此處的描述級(jí)別涵蓋了程序員在其程序的鏈接步驟中遇到的日常問(wèn)題的95％溯壶。
