2. 目标文件【《链接、装载与库》学习笔记】
目标文件的格式
现在PC平台流行的可执行文件格式主要是Windows下的PE（Portable Executable）和Linux的ELF（Executable Linkable Format），他们都是COFF（Common File Format）格式的变种。目标文件就是源代码编译后但未进行链接的中间文件（Windows的.obj和Linux下的.o）
动态链接库（DLL）和静态链接库的文件都按照可执行文件的格式存储。静态链接库可以理解为一个包含有很多目标文件的文件包。ELF文件标准里面把系统中常用ELF格式的文件归为4类：
| ELF文件类型 | 说明 | 实例 |
|---|---|---|
| 可重定位文件 | 包含代码和数据，可以被用来链接成可执行文件/共享目标文件（静态链接库属于这一类 | .o |
| 可执行文件 | 包含可以直接执行的程序，一般没有扩展名 | |
| 共享目标文件 | 包含代码和数据。可以生成新的目标文件或者使用动态链接器结合 | .so |
| 核心转储文件 | 当进程意外终止，系统将该进程地址空间的内容及种植信息转存 | core dump |
可以使用file命令查看相应文件格式。 |
目标文件的结构
目标i文件把信息按照不同的属性，以“节”（Section）的形式存储，有时候也称“段”（Segment）。在一般情况下他们都表示一个一定长度的区域。
代码段存放程序源代码编译后的机器指令。常见的名字有.code或.text。数据段存放全局变量、局部静态变量数据，常见的名字是.data。未初始化的局部变量和全局变量放在.bss段里。.bss段只是为了未初始化的全局变量和局部静态变量预留位置。
ELF文件的开头是一个“文件头”描述整个文件的文件属性，其中包含段表描述文件各个段在文件中的偏移位置及段的属性。文件头后面是各个段的内容。
总体来说，程序源代码被编译之后分成两种段：程序指令和程序数据。代码段属于程序指令，数据段和.bss段属于程序数据。
使用
1 | |
可以查看各个目标文件的结构和内容
data段保存已经初始化了的全局静态变量和局部静态变量。rodata段存放的是只读数据，一般是程序里的只读变量和字符串常量。（有时字符串常量在.data段，有时在.rodata
.bss段存放的是未初始化的全局变量和局部静态变量。（为他们预留空间）
.为前缀开头，说明这些表的名字是系统保留的，应用程序也可以使用非系统保留的名字作为段名。
使用GCC时，我们在全局变量或函数之前加上__attribute__((section("name")))属性就可以把相应的变量或函数放在以name作为段名的段中。
ELF文件结构描述
段表（Section Header Table）描述了ELF文件包含的所有段的信息，比如每个段的段名、段的长度、在文件中偏移、读写权限等。
文件头
ELF目标文件格式的最前部是ELF文件头，包含描述整个文件的基本属性，比如文件版本，目标机器型号，入口地址。紧接着是各个段。
使用readelf命令来详细查看ELF文件。
1 | |
elf文件头结构及相关常数定义在/usr/include/elf.h里。
所有ELF文件开始的4个字节都必须相同（第一个字节对应DEL控制符，后面3个字节对应“ELF”的ASCII），这4个字节被称为魔数，用于确定文件的类型。接下来1个字节用于标识ELF文件类。
e_type成员表示ELF文件类型，系统通过这个常量来判断ELF的真正文件类型，相关常量以ET_开头。e_machine成员表示平台属性，相关常量以EM_开头。
段表
编译器、链接器、装载器依靠段表来定位和访问各个段的属性。段表在ELF文件的位置由文件头的e_shoff成员决定。
真正的段表结构需要通过readelf工具得到：
1 | |
段表的结构是一个以Elf32_Shdr结构体为元素的数组。这个结构体被称为段描述符。
段的名字只是在链接和编译过程中有意义，但是不能真正表示段的类型，我们也可以将一个数据段命名为.text。对于编译器和链接器来说，主要决定段属性的是段的类型sh_type和段的标志位sh_flags。段的类型相关常量以SHT__开头。段的标志位相关常量以SHF__开头。
重定位表
链接器在处理目标文件时要对目标文件中的某些部位进行重定位，即代码段和数据段中哪些绝对地址的引用的位置。这些信息记录在重定位表中。
字符串表
把字符串集中起来集中放在一个表，然后使用字符串在表中的偏移来引用字符串。字符串表常见的段名为.strtab或则.shstrtab
符号
在链接中我们把函数和变量统称为符号，函数名或者变量名都是符号名。每一个目标表文件都有一个相应的符号表，符号有对应的符号值。同时，段名、行号信息也都是符号。
使用nm来查看ELF文件的符号表：
1 | |
ELF符号表结构
符号表段名一般叫.symtab。是一个Elf32_Sym结构的数组。
符号类型和绑定信息（st_info）低4位表示符号的类型，高28位表示符号绑定信息（局部符号、全局符号、弱引用）。
符号所在段（st_shndx）如果符号定义在本目标文件中，那么符号所在段表示段表中的下标。
符号值 （st_value）如果是一个函数或者变量，那么符号的值就是函数或变量的地址。还有很多特殊情况。
1 | |
查看符号。
符号修饰
为了支持C++的特性，使用符号修饰或符号改编的机制。C++使用某种名称修饰，使得每个函数签名对应一个修饰后名称。
c++filt工具可以用来解析被修饰过的名称：
1 | |
强符号和弱符号
不能重复定义的被称为强符号，可以通过GCC的__attribute__((weak)) 定义任何一个强符号为弱符号。
链接器按如下规则处理全局符号：
- 不允许强符号被多次定义。
- 如果一个符号在某个目标是强符号，在其他文件时弱符号，选择强符号。
- 如果全是弱符号，选择占用空间最大的一个。
强引用：如果没找到符号的定义，链接器报错；弱引用：如果没找到符号定义默认为0.在GCC中可以通过__attribute((weakref))声明为弱引用。
调试信息
在GCC编译时加上-g参数，编译器会在产生目标文件中加上调试信息。ELF采用DWARF的标准调试信息格式。