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c++ - 链接究竟是如何工作的?

coder 2024-02-08 原文

我对编译过程的理解:

1) 预处理:您所有的宏都被替换为它们的实际值,所有注释都被删除,等等。用您包含的文件的文字文本替换您的#include 语句。

2) 编译:这里不会深入探讨,但结果是一个适用于您所处架构的汇编文件。

3) 汇编:获取汇编文件并将其转换为二进制指令,即机器代码。

4) 链接:这是我感到困惑的地方。此时你有一个可执行文件。但是如果你真的运行那个可执行文件会发生什么?问题是您可能包含了 *.h 文件,而这些文件只包含函数原型(prototype)吗?因此,如果您实际上从这些文件中调用其中一个函数,它将没有定义并且您的程序将会崩溃?

如果是这样的话,链接到底做了什么呢?它如何找到与您包含的 .h 关联的 .c 文件,以及如何将其注入(inject)您的机器代码?是不是要为那个文件再走一遍整个编译过程?

现在,我开始明白有两种类型的链接,动态链接和静态链接。当您实际为您创建的每个可执行文件重新编译库的源代码时是静态的吗?我不太明白动态链接是如何工作的。因此,您编译了一个可执行库,供所有使用它的进程共享?那怎么可能呢?它不会在试图访问它的进程的地址空间之外吗?另外,对于动态链接,你不是还需要在某个时候及时编译库吗?它只是一直坐在内存中等待使用吗?什么时候编译的?

你能通过以上内容,澄清所有的误解,错误的假设,并用你的正确解释代替吗?

最佳答案

At this point you have an executable.

没有。此时,您有目标文件,它们本身不可执行。

But if you actually run that executable what happens?

像这样:

h2co3-macbook:~ h2co3$ clang -Wall -o quirk.o quirk.c -c
h2co3-macbook:~ h2co3$ chmod +x quirk.o
h2co3-macbook:~ h2co3$ ./quirk.o
-bash: ./quirk.o: Malformed Mach-o file

告诉你它不是可执行文件。

Is the problem that you may have included *.h files, and those only contain function prototypes?

实际上,非常接近。翻译单元(.c 文件)(通常)被转换为汇编/机器代码来表示它的作用。如果它调用一个函数,那么文件中将有对该函数的引用,但没有定义。

So if you actually call one of the functions from those files, it won't have a definition and your program will crash?

正如我所说,它甚至不会运行。让我重复一遍:目标文件不可执行。

what exactly does linking do, under the hood? How does it find the .c file associated with the .h that you included [...]

事实并非如此。它查找从 .c 文件生成的其他目标文件,并最终查找库(它们本质上只是其他目标文件的集合)。

它会找到它们,因为您告诉它要查找的内容。假设您有一个项目,其中包含两个调用彼此函数的 .c 文件,这是行不通的:

gcc -c file1.c -o file1.o
gcc -c file2.c -o file2.o
gcc -o my_prog file1.o

它将因链接器错误而失败:链接器找不到在 file2.c(和 file2.o)中实现的函数的定义。但这会起作用:

gcc -c file1.c -o file1.o
gcc -c file2.c -o file2.o
gcc -o my_prog file1.o file2.o

[...] and how does it inject that into your machine code?

目标文件包含对它们调用的函数的 stub 引用(通常以函数入口点地址或明确的、人类可读的名称的形式)。然后,链接器查看每个库和目标文件,找到引用(如果找不到函数定义则抛出错误),然后用实际的“调用此函数”机器代码指令替换 stub 引用。 (是的,这在很大程度上得到了简化,但是如果您不询问特定的体系结构和特定的编译器/链接器,就很难说得更准确...)

Is static when you actually recompile the source of the library for every executable you create?

没有。静态链接意味着库的目标文件的机器代码实际上被复制/合并到您的最终可执行文件中。动态链接意味着一个库被加载到内存中一次,然后当您的可执行文件启动时,上述 stub 函数引用由操作系统解析。库中的机器代码不会被复制到您的最终可执行文件中。 (所以在这里,工具链中的链接器只完成了部分工作。)

以下内容可能会帮助您获得启示:如果您静态链接一个可执行文件,它将是自包含的。它可以在任何地方运行(无论如何在兼容的架构上)。如果您动态链接它,它只会在特定机器上运行,前提是该机器安装了程序引用的所有库。

So you compile one executable library that is shared by all of your processes that use it? How is that possible, exactly? Wouldn't it be outside of the address space of the processes trying to access it?

操作系统的动态链接器/加载器组件负责所有这一切。

Also, for dynamic linking, don't you still need to compile the library at some juncture in time?

正如我已经提到的:是的,它已经编译好了。然后它会在某个时间点(通常是第一次使用时)加载到内存中。

When is it compiled?

一段时间后才能使用。通常,一个库被编译,然后安装到您系统上的某个位置,以便操作系统和编译器/链接器知道它的存在,然后您可以开始编译(嗯,链接)使用该库的程序图书馆。不早了。

关于c++ - 链接究竟是如何工作的?,我们在Stack Overflow上找到一个类似的问题: https://stackoverflow.com/questions/19464265/

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