静态和动态链接

引言
即使是最简单的HelloWorld的程序，它也要依赖于别人已经写好的成熟的软件库，这就是引出了一个问题，我们写的代码怎么和别人写的库集成在一起，也就是链接所要解决的问题。

首先看HelloWorld这个例子:
[cpp]
// main.c
1 #include <stdio.h>
2
3 int main(int argc, char** argv)
4 {
5         printf("Hello World! argc=%d\n", argc);
6         return 0;
7 }

// main.c
1 #include <stdio.h>
2
3 int main(int argc, char** argv)
4 {
5 printf("Hello World! argc=%d\n", argc);
6 return 0;
7 }
HelloWorld的main函数中引用了标准库提供的printf函数。链接所要解决的问题就是要让我们的程序能正确地找到printf这个函数。
解决这个问题有两个办法：一种方式是在生成可执行文件的时候，把printf函数相关的二进制指令和数据包含在最终的可执行文件中，这就是静态链接；另外一种方式是在程序运行的时候，再去加载printf函数相关的二进制指令和数据，这就是动态链接。
每个源文件都会首先被编译成目标文件，每个目标文件都提供一些别的目标文件需要的函数或者数据，同时又从别的目标文件中获得一些函数或者数据。因此，链接的过程就是目标文件间互通有无的过程。本文根据《程序员的自我修养》一书中关于静态和动态链接总结而成，欢迎指正并推荐阅读原书。

静态链接
静态链接就是在生成可执行文件的时候，把所有需要的函数的二进制代码都包含到可执行文件中去。因此，链接器需要知道参与链接的目标文件需要哪些函数，同时也要知道每个目标文件都能提供什么函数，这样链接器才能知道是不是每个目标文件所需要的函数都能正确地链接。如果某个目标文件需要的函数在参与链接的目标文件中都找不到的话，链接器就报错了。
目标文件中有两个重要的接口来提供这些信息：一个是符号表，另外一个是重定位表。利用Linux中的readelf工具就可以查看这些信息。
首先我们用命令gcc -c -o main.o main.c 来编译上面main.c文件来生成目标文件main.o。然后我们用命令readelf -s main.o来查看main.o中的符号表：
[plain]
Symbol table '.symtab' contains 11 entries:
   Num:    Value Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 00000000     0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
     1: 00000000     0 FILE    LOCAL DEFAULT ABS main.c
     2: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    1
     3: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    3
     4: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    4
     5: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    5
     6: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    7
     7: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    8
     8: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    6
<STRONG>     9: 00000000    36 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
    10: 00000000     0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf</STRONG>

Symbol table '.symtab' contains 11 entries:
   Num:    Value Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 00000000     0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
     1: 00000000     0 FILE    LOCAL DEFAULT ABS main.c
     2: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    1
     3: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    3
     4: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    4
     5: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    5
     6: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    7
     7: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    8
     8: 00000000     0 SECTION LOCAL DEFAULT    6
     9: 00000000    36 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main
    10: 00000000     0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf
我们重点关注最后两行，从中可以看到main.o中提供main函数（Type列为FUNC，Ndx为1表示它是在本目标文件中第1个Section中），同时依赖于printf函数（Ndx列为UND）。

因为在编译main.c的时候，编译器还不知道printf函数的地址，所以在编译阶段只是将一个“临时地址”放到目标文件中，在链接阶段，这个“临时地址”将被修正为正确的地址，这个过程叫重定位。所以链接器还要知道该目标文件中哪些符号需要重定位，这些信息是放在了重定位表中。很明显，在main.o这个目标文件中，printf的地址需要重定位，我们还是用命令readelf -r main.o来验证一下，这些信息是保存在.rel.textSection中：
[plain]
Relocation section '.rel.text' at offset 0x400 contains 2 entries:
Offset     Info    Type            Sym.Value Sym. Name
0000000a 00000501 R_386_32          00000000   .rodata
00000019 00000a02 R_386_PC32        00000000   printf

Relocation section '.rel.text' at offset 0x400 contains 2 entries:
Offset     Info    Type            Sym.Value Sym. Name
0000000a 00000501 R_386_32          00000000   .rodata
00000019 00000a02 R_386_PC32        00000000   printf那么既然main.o依赖于printf函数，你可能会问，printf是在哪个目标文件里面？printf函数是标准库的一部分，在Linux下静态的标准库libc.a位于/usr/lib/i386-linux-gnu/中。你可以认为标准库就是把一些常用的函数的目标文件打包在一起，用命令ar -t libc.a可以查看libc.a中的内容，其中你就可以发现printf.o这个目标文件。在链接的时候，我们需要告诉链接器需要链接的目标文件和库文件（默认gcc会把标准库作为链接器输入的一部分）。链接器会根据输入的目标文件从库文件中提取需要目标文件。比如，链接器发现main.o会需要printf这个函数，在处理标准库文件的时候，链接器就会把printf.o从库文件中提取处理。当然printf.o依赖的目标文件也很被一起提取出来。库中其他目标文件就被舍弃掉，从而减小了最终生成的可执行文件的大小。

知道了这些信息后，链接器就可以开始工作了，分为两个步骤：1）合并相似段，把所有需要链接的目标文件的相似段放在可执行文件的对应段中。2）重定位符号使得目标文件能正确调用到其他目标文件提供的函数。
用命令gcc -static -o helloworld.static main.c来编译并做静态链接，生成可执行文件helloworld.static。因为可执行文件helloworld.static已经是链接好了的，所以里面就不会有重定位表了。命令 readelf -S helloworld.static | gre

补充：软件开发 , C++ ,