编译和链接-目标文件格式

目标文件是编译器编译源代码后生成的文件，从结构上讲，它具有可执行文件的文件格式，但是没有经过连接过程，因此对于其他编译模块的引用还没有连接上，本文将简单介绍目标文件的文件格式，对目标文件格式的理解是下文介绍静态链接和动态链接的基础。

可执行文件格式类型

目标文件是源代码编译后的文件（Windows下的.obj和Linux下的.o），他和可执行文件的格式是相同的，可执行文件格式主要是Windows下的PE（Portable Executable）和Linux下的ELF（Executable Linkable Format）。

除此之外，动态链接库（DLL, Dynamic Linking Library）和静态链接库（Static Linking Library）也是可执行文件格式存储的。ELF格式的文件归为一下四类：

目标文件格式

在目标文件中，需要存储编译后的机器指令的指令代码以及数据，还有连接需要的信息，如符号表、字符串等。目标文件将不同的信息放在不同的地方，分"段"（segment）存储。

如下图所示，目标文件中最基本最重要的有以下几个段：代码放在代码段(.text段)中，全局变量和静态变量放在数据段(data段)中，而为初始化的全局和静态变量定义放在.bbs段中，因为他们都默认为0，表示为为初始化的全局变量和静态变量预留位置。

图 1

综上所述，程序源代码代码主要分为两种段：程序指令和程序数据。原因和好处有：

• 可设为一个只读，一个可读写。
• 提高程序的局部性，提高缓存的命中率。
• 同时运行多个程序副本时，只需要存储一个程序指令的代码段数据。

ELF文件结构描述

上文是一个ELF文件(目标文件属于ELF文件)的大致介绍，下文将详细介绍ELF文件的格式。下图描述了ELF的总体结构，本图只显示一些重要的结构。

文件头

ELF最前面的还是ELF文件头，描述了整个文件的基本属性，如ELF魔数、文件机器字节长度、数据存储方式、ELF重定位类型、硬件平台、入口地址、程序头入口、段表的位置和长度以及段的数量。

段表

ELF文件中有各种各样的段，而段表（Section Header table）保存了这些段的基本属性，如段名、长度、文件中的偏移等。段表的位置由头文件中的信息确定，而其他段的位置由段表确定。

重定位表

在我们举的对象文件的例子（图1）中，会产生一个".rel.text"的段，它就是一个重定位表。连接器在处理目标文件时，目标文件对其他模块的对象的引用需要进行重定位，这些信息都记录在ELF文件的重定位表中。对于每一个需要重定位的代码段或者数据段，都有一个相应的重定位表。比如".rel.text"就是对".text"段的重定位表，如我们的例子中有一个对printf函数的调用，因此.text段有一个绝对地址的引用。

重定位表在链接过程中具有重要的意义。

字符串表

ELF文件中用到了很多字符串，比如段名、变量名等。因为字符串长度不同，为了使用固定的结构表示，ELF文件将字符串集中起来存放，然后使用字符串在表中的偏移量来引用字符串。

常见的段名为.strtab和.shstrtab，分别代表字符串表和段表字符串表，前者保存普通的字符串，后者保存段名。

符号——链接的接口

链接的本质是将相互调用的目标文件进行组装。如目标A文件中的函数f()被目标文件B调用，连接就是将他们连接起来。在链接中，我们将函数和变量成为符号，他们的名字是符号名。

每一个目标文件都会有一个符号表，记录了目标文件中所使用的所有文件。每个符号有一个对应的符号值，对于变量和函数来说，符号值就是他们对应的地址。

符号主要有以下几种：

• 定义在目标文件的全局符号，可以被其他目标文件引用。如全局变量和函数。
• 本目标文件中引用的其他文件的全局符号，一般叫外部符号。如printf函数。
• 段名，符号由编译器产生，它的值就是起始地址。如.text.
• 局部符号，只在编译单元内可见。如局部static变量。
• 行号信息。

其中，链接过程最关心全局符号的粘合，所以最重要的就是第一类和第二类全局信息

符号表一般是ELF文件的一个段.symtab。每个符号有一个结构，存储的信息包括：符号名、符号值、符号大小、符号类型和绑定信息，符号所在段。

其中，符号类型有：

绑定信息有