链接器做了什么？

摘自《程序员自我修养》

机器指令的历史

为了更好的理解计算机程序的编译和链接的过程，我们简单地回顾计算机程序开发的历史一定会非常有益。 最原始的设备是就是纸带，即在纸带上打相应的孔。 这个过程我们可以通过图2-6来看到，假设有一种计算机，它的每条指令是一个字节，也就是8位。它的高4位是0001，表示这是一种跳转指令，低4位存放的是跳转目的地的绝对地址。我们可以从图2-6中看到，这个程序的第一条指令就是一条跳转指令，它的目的地址是第5条指令（注意，第5条指令的绝对地址是4）.至于0和1怎么映射到纸带上，这个应该很容易理解，比如我们可以规定纸带上每行有8个孔位，每个孔位代表一位，穿孔表示0，未穿孔表示1。

链接的原因

在一个程序被分割为多个模块以后，这些模块之间最后如何组合形成一个单一的程序是须要解决的问题。模块之间如何组合的问题可以归结为模块之间如何通信的问题，最常见的属于静态语言的C、C++之间通信的方式，一种是模块之间的函数调用，另外一种是模块间的变量访问。函数访问须知道目标函数的地址，变量访问也须知道目标变量的地址，所以这两种方式都可以归结为一种方式，那就是模块之间的符号引用。模块间依靠符号来通信类似于拼图版，定义符号的模块多出一个区域，引用该符号的模块刚好烧录那一块区域，两者的拼接刚好完美组合。这个模块组合的过程就是链接。

静态链接

链接过程主要包括了地址和空间分配，符号决议和重定位等这些步骤。

符号决议有时候也被叫做符号绑定（Symbol Binding）、名称绑定（Name Binding）。甚至还有叫做地址绑定（Address Binding）、指令绑定（Instruction Binding）的，大体上它们的意思都一样，但从细节角度来区分，它们之间还是存在一定区别的，比如“决议”更倾向于静态链接，而“绑定”更倾向于动态链接，即它们所使用的范围不一样。在静态链接中，我们统一称为“符号决议”。

最基本的静态链接过程如图2-8所示。编译过程如下图：

现代编译和链接过程并非想象那么复杂，它还是一个容易理解的概念，比如我们在程序模块main.c使用另外一个模块func.c中的函数foo()。我们在main.c模块中每一处调用的foo的时候都必须确切知道foo函数的地址，所以它暂时把这些调用foo的指令的目标地址搁置，等待最后链接的时候由链接器去将这些指令的目标地址进行修正，则填入正确的foo函数地址。当func.c模块重新编译，foo函数的地址有可能改变时，那么我们在main.c中所有使用到foo的地址的指令将要全部重新调整。这些繁琐的工作将成为程序员的噩梦。使用链接器，你可以直接引用其他模块的函数和全局变量而无需知道它们的地址，因为链接器，你可以直接引用其他模块的函数和全局变量而无须知道它们的地址，因为链接器在链接的时候会根据引用的符号foo，自动去相应的func.c模块查找foo的地址，然后将main.c模块中所有引用到foo的指令重新修正，让它们的目标地址为真正的foo函数的地址。这就是静态链接的最基本功能和作用。 在链接过程中，对其他定义在目标文件中的函数调用的指令须要被重新调整，对使用其他定义在其他目标文件的变量来说，也存在同样的问题。让我们结合具体CPU指令来理解这个过程，假设我们有个全局变量，比如我们在目标文件中B里面有一个指令： movl $0x2a, var 这条指令就是给这个var变量赋值0x2a，相当于C语言中的语句var=42，然后我们编译目标文件B，得到这条指令机器码，如图2-9所示：

由于在编译目标文件B的时候，编译器并不知道变量var的目标地址，所以编译器在无法确定地址的情况下，将这条mov指令的目标地址置为0，等待链接器在将目标文件A和B链接起来的时候再将其修正。