C语言图文并茂详解链接过程

C语言链接过程的基本概念

在编写C语言程序并将其编译成可执行文件时，链接过程是至关重要的一个步骤。这个步骤就是将程序的目标文件链接在一起，生成最终的可执行文件。

静态链接和动态链接

• 静态链接：将所有目标文件和库文件统一打包，形成一个独立的可执行文件。对于动态库，静态链接器会将库文件的代码和数据拷贝到可执行文件中，即打包的可执行文件的大小较大。优点是可执行文件拥有全部的依赖关系，独立运行，运行速度较快。
• 动态链接：在可执行文件中只链接必要的代码，其余代码和数据存储在动态库中，在运行时动态库会被加载。这样能够减小可执行文件的大小，多个程序可以使用同一个库文件，可执行文件的更新也比较方便。不过，因为需要在运行时加载动态库，运行速度比静态链接的可执行文件慢。

链接器

链接器在编译过程的最后一步，对多个目标文件进行链接。链接的过程包括符号解析、重定位等步骤。常见的链接器有GNU ld、Visual C++的link.exe等。

符号解析

符号解析即为解决符号引用的对应问题。在编译中，变量、函数等标识符在引用时是不确定其地址的。链接器在遍历整个目标文件时，会为所有标识符分配一个地址。这个过程叫符号解析，涉及到的符号主要为函数名、全局变量名等。

重定位

重定位是指通过符号表记录规定的标志符地址和代码中实际使用的标志符地址之间的转换关系。在链接时，需要将不同目标文件中的符号引用进行相互匹配以及调整地址，让引用能够正确指向符号定义的位置。

示例1：静态链接的实现

现有一个hello.c文件，代码如下：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello world\n");
    return 0;
}

通过gcc编译：

gcc -c hello.c -o hello.o

我们得到了一个目标文件hello.o。

现有一个main.c文件，代码如下：

int main()
{
    return 0;
}

通过gcc编译：

gcc -c main.c -o main.o

我们得到了另一个目标文件main.o。

现在，我们要将这两个目标文件链接起来。通过以下命令链接：

gcc hello.o main.o -o main

我们得到了一个可执行文件main。

接下来，我们使用objdump命令查看main文件的相关信息：

objdump -h main

输出如下：

main:     file format elf32-i386

Sections:
Idx Name          Size      VMA       LMA       File off  Algn
  0 .text         00000043  08048060  08048060  00000060  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
  1 .rodata       0000000d  080480a8  080480a8  000000a8  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  2 .eh_frame     0000001c  080480bc  080480bc  000000bc  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  3 .data         00000008  08049222  08049222  00000222  2**2
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
  4 .comment      0000002c  00000000  00000000  00000222  2**0
                  CONTENTS, READONLY
  5 .symtab       00000098  00000000  00000000  00000254  2**4
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
  6 .strtab       00000027  00000000  00000000  000002ec  2**0
                  CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA

这是一个包含.text、.rodata、.eh_frame、.data、.comment、.symtab、.strtab等几个section的ELF格式可执行文件。其中，.text表示该可执行文件的代码段，.rodata表示只读数据段，.eh_frame表示异常处理段，.data表示数据段等。此时我们执行可执行文件main，输出结果为：

Hello world

可以发现，我们的程序在可执行文件中正确运行。

示例2：动态链接的实现

在Linux操作系统中，动态库的文件后缀名通常是.so。我们使用gcc命令生成描述动态库的文件。例如：

gcc -fPIC -shared -o libhello.so hello.c

-fPIC的选项意为编译时生成与位置无关的代码。-shared的选项让gcc把编译的结果生成共享目标文件（或称动态库文件）。编译生成libhello.so后，你可以将它当做一个普通的静态库来使用。

现有一个main.c文件，代码如下：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("Hello world\n");
    return 0;
}

通过gcc编译：

gcc -o main main.c -L. -lhello

-L.的作用是告诉编译器在当前目录查找动态库文件，-lhello的作用是告诉编译器要链接libhello.so库文件。编译生成main文件后，我们执行./main即可看到输出信息：

Hello world

总结

好了，我们通过上述两个例子讲解了C语言链接过程的实现原理、静态链接和动态链接的区别以及如何通过gcc编译工具来实现链接功能。对于初学者来说，本篇介绍应该足够了解C语言的链接过程，后续还可以深入学习编译原理、链接器的实现、可执行文件的内部结构等更高级的知识。