研读《程序员的自我修养—链接、装载与库》

前言

《编译与链接过程的思考》 《静态库与动态库的思考》 在写完上面两篇思考之后,仔细研读《程序员的自我修养—链接、装载与库》,对编译、链接、装载、静态库和动态库有连贯的认知。

这种知识先在学校学习一遍,然后遗忘; 工作用到,百思不得其解; 然后再看书,才能深深记住和理解。

正文

机器指令

最初的机器指令,是使用纸带来记录; 当变更指令的时候,需要程序员重新计算每个子程序的跳转地址。这个操作就是重定位。 但是,如果有多条纸带,跳转更为复杂。

汇编语言

为了解决上面复杂的机器指令跳转,先驱者发明了汇编语言。 举例:一个汇编指令

 jmp foo

由汇编器在每次汇编程序的时候,重新计算foo这个符号的地址。

符号(Symbol)表示的是一个地址,可能是函数的起始地址,也可能是变量的起始地址。

随着软件的规模越来越大,代码量越来越大; 人们考虑把不同的功能模块以特定的方式组织起来,便于阅读; 那么如何解决,模块最后组合成一个单一的程序的问题?

链接

先来看看模块间的调用有哪些: 1、函数调用; 2、变量访问; 其实可以统一为跨模块的符号引用。 这个统一模块间符号的引用的过程,就是链接。 链接包括:地址和空间分配、符号决议和重定位。

简单描述下链接的过程: 假如主程序main.c 使用了 fun.c 模块的 foo函数,那么main.c在编译的过程,对于调用foo函数的指令,对于指令的目标地址暂时搁置;待到链接的时候,由链接器来填写foo函数的地址。

编译之后会产生目标文件。 目标文件:编译器编译源代码后产生的文件,没有经过链接的过程,某些符号还没有调整过,Windows下的.obj文件,Linux下的.o文件,Unix的.out文件。

静态链接

静态链接:链接器在链接时将静态库合并到可执行程序。 链接器为目标文件分配地址和空间有两层含义: 1、输出的可执行文件的空间; 2、装载后的虚拟地址中的虚拟地址空间;

链接过程分为两步:

  • 1、空间和地址分配,扫描所有的目标文件,获得各个段的长度、属性、位置信息,并把所有的符号定义以及引用收集起来,放到全局的符号表中; 通过所有段的长度,计算和合并后的长度和位置,并建立映射关系;
  • 2、符号解析和重定位,使用上一步收集到的信息,读取文件中段的数据和重定位信息,进行符号解析和重定位;

.lib、.a是常见的静态链接库; 静态库的缺点: 浪费内存和磁盘空间、更新困难;

动态链接

动态链接:把链接的过程推迟到运行时再进行。 动态链接涉及到运行时的链接以及文件的装载,故而需要操作系统的支持。 程序与.so文件之间的链接是由动态链接库完成的,静态链接是由静态链接器ld完成的。

动态库也需要参与链接的过程,否则找不到该符号的信息; so保存了完整的符号信息,链接器解析符号时会获取这些信息,用于判断一个符号是否为动态符号;

.dll、.so 是常见的动态链接库; 共享对象的最终装载地址在编译时是不确定的,根据装载时的地址空间的空闲情况,动态分配一块足够大小的虚拟地址空间给响应的共享对象。

动态链接器是动态链接还是静态链接? 静态链接。它要解决其他共享对象的依赖问题,不能依赖其他共享对象;

外部符号:在本目标文件引用但没有定义的符号;(External Symbol) 当多个同名符号冲突的时候,先装入的符号优先,这种优先级方式成为装载序列。(Load Ordering)

iOS相关

我们通过一个工程,来验证动态库的动态装载。

dlfcn.h的方法

  • dlopen打开动态链接库;
  • dlerror返回错误;
  • dlsym获取函数名或者变量名;
  • dlclose关闭动态库;

Objective-C的方法

  • NSClassFromString根据名字返回类;
  • NSSelectorFromString根据名字返回方法;
  • performSelector执行方法;

工程设置 注意,在Linked的设置里面没有ALib,因为我们是通过dlopen的形式来打开动态库。 BLib中有一个OC类, 其中的+load方法,会显示BLib是何时被装载; ALib中有一个OC类, 其中的+load方法,会显示ALib是何时被装载;还有一个foo函数,为c函数;

测试代码

#include <dlfcn.h>

typedef void (*FOO_FUNC)(void);

- (void)viewDidLoad {
    [super viewDidLoad];
    // Do any additional setup after loading the view, typically from a nib.
    dispatch_after(dispatch_time(DISPATCH_TIME_NOW, (int64_t)(3.0 * NSEC_PER_SEC)), dispatch_get_main_queue(), ^{
        [self testLib];
    });
}

- (void)testLib {
    NSLog(@"Test lib.");
    void *handle;
    char *error;
    handle = dlopen("ALib.framework/ALib", RTLD_LAZY);
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        return ;
    }
    dlerror();
    FOO_FUNC func = dlsym(handle, "foo");
    if ((error = dlerror()) != NULL)  {
        fprintf(stderr, "%s\n", error);
        return;
    }
    func();
    
    
    Class Alib = NSClassFromString(@"ALib");
    SEL foo = NSSelectorFromString(@"foo");
    
    if (Alib && foo) {
        [[[Alib alloc] init] performSelector:foo withObject:nil];
    }
    
    dlclose(handle);
}

测试输出

2016-12-22 13:09:00.653406 testLib[8279:1718634] load Blib 2016-12-22 13:09:04.083711 testLib[8279:1718634] Test lib. 2016-12-22 13:09:04.195297 testLib[8279:1718634] load Alib foo in ALib. 2016-12-22 13:09:04.195752 testLib[8279:1718634] foo in NSALib.

结果思考 Xcode工程link设置上的动态库,会在程序启动时加载到内存,即使你没有用到这个库的函数;(测试代码中没有用到BLib动态库的代码,但是启动即加载了BLib)

dispatch_after是为了延迟,模拟动态加载的过程; 动态库ALib在调用的时候再进行了装载,并且c函数和Objective-C方法均可调用;(测试输出中,loadAlib比loadBLib晚了3秒钟)

Xcode工程设置的Other Linker Flags

  • -ObjC,告诉链接器把库中定义的Objective-C类和Category都加载进来;(如果静态库中有类和category的话,需要添加这个标志)
  • -all_load,-all_laod会强制链接器把目标文件都加载进来,即使没有objc代码。(库中只有category没有类的时候,即使有-ObjC, 仍然无法加载category)
  • -force_load,必须跟一个静态库的路径,与-all_load不同的是只会完全加载一个库,不影响其他库文件;

总结

在学习现在的知识时,回顾曾经的发展道路,会有意想不到的收获。

航天飞机的宽度是由马屁股决定的。

代码可以在Github找到。

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