從四個問題透析Linux下C++編譯&鏈接

注1：本文所涉及工具可從http://www.gnu.org/software/binutils/獲取詳細信息

注2：本文示例代碼圖片中，每個窗口下面的白色區域有這份代碼對應的文件名稱，注意匹配對應文中說明

編譯原理：

將如下最簡單的C++程序（main.cpp）編譯成可執行目標程序，實際上可以分為四個步驟:預處理、編譯、匯編、鏈接，可以通過

g++ main.cpp –v看到詳細的過程，不過現在編譯器已經把預處理和編譯過程合并。

預處理：g++ -E main.cpp -o main.ii，-E表示只進行預處理。預處理主要是處理各種宏展開；添加行號和文件標識符，為編譯器產生調試信息提供便利；刪除注釋；保留編譯器用到的編譯器指令等。

編譯：g++ -S main.ii –o main.s，-S表示只編譯。編譯是在預處理文件基礎上經過一系列詞法分析、語法分析及優化后生成匯編代碼。

匯編：g++ -c main.s –o main.o。匯編是將匯編代碼轉化為機器可以執行的指令。

鏈接：g++ main.o。鏈接生成可執行程序，之所以需要鏈接是因為我們代碼不可能像main.cpp這么簡單，現代軟件動則成百上千萬行，如果寫在一個main.cpp既不利于分工合作，也無法維護，因此通常是由一堆cpp文件組成，編譯器分別編譯每個cpp，這些cpp里會引用別的模塊中的函數或全局變量，在編譯單個cpp的時候是沒法知道它們的準確地址，因此在編譯結束后，需要鏈接器將各種還沒有準確地址的符號（函數、變量等）設置為正確的值，這樣組裝在一起就可以形成一個完整的可執行程序。

問題一：頭文件遮擋

在編譯過程中最詭異的問題莫過于頭文件遮擋，如下代碼中main.cpp包含頭文件common.h，真正想用的頭文件是圖中最右邊那個包含name

成員的文件（所在目錄為./include），但在編譯過程中中間的common.h（所在目錄為./include1）搶先被發現，導致編譯器報錯：Test結構沒有name成員，對程序員來講，自己明明定義了name成員，居然說沒有name這個成員，如果第一次碰到這種情況可能會懷疑人生。應對這種詭異的問題，我們可以用-E參數看下編譯器預處理后的輸出，如下圖。

預處理文件格式如下：# linenum filename flag，表示之后的內容是從文件名為filaname的文件中第linenum行展開的，flag的取值可以是1,2,3,4，可以是用空格分開的多值，1表示接下來要展開一個新文件；2表示一個文件展開完畢；3表示接下來內容來自一個系統頭文件；4表示接下來的內容應該看做是extern C形式引入的。

從展開后的輸出我們可以清楚地看到Test結構確實沒有定義name這個成員，并且Test這個結構是在./include1中的common.h中定義的，到此真相大白，編譯器壓根就沒用我們定義的Test結構，而是被別的同名頭文件截胡了。我們可以通過調整-I或者在頭文件中帶上部分路徑更詳細制定頭文件位置來解決。

目標文件：

編譯鏈接最終會生成各種目標文件，Linux下目標文件格式為ELF（Executable Linkable Format），詳細定義見/usr/include/elf.h頭文件，常見的目標文件有：可重定位目標文件，也即.o結尾的目標文件，當然靜態庫也歸為此類；可執行文件，比如默認編譯出的a.out文件；共享目標文件.so；核心轉儲文件，也就是core dump后產出的文件。Linux文件格式可以通過file命令查看。

一個典型的ELF文件格式如下圖所示，文件有兩種視角：編譯視角，以section頭部表為核心組織程序；運行視角，程序頭部表以segment為核心組織程序。這么做主要是為了節約存儲，很多細碎的section在運行時由于對齊要求會導致很大的內存浪費，運行時通常會將權限類似的section組織成segment一起加載。

通過命令objdump和readelf可以查看ELF文件的內容。

對可重定位目標文件常見的section有:

符號解析：

鏈接器會為對外部符號的引用修改為正確的被引用符號的地址，當無法為引用的外部符號找到對應的定義時，鏈接器會報undefined reference to XXXX的錯誤。另外一種情況是，找到了多個符號的定義，這種情況鏈接器有一套規則。在描述規則前需要了解強符號和弱符號的概念，簡單講函數和已初始化的全局變量是強符號，未初始化的全局變量是弱符號。

1.? 不允許多個強符號定義，鏈接器會報告重復定義貌似的錯誤

2.? 如果一個強符號和多個弱符號同名，則選擇強符號

3.? 如果符號在所有目標文件中都為弱符號，那么選擇占用空間最大的一個

有了這些基礎，我們先來看一下靜態鏈接過程：

1.? 鏈接器從左到右按照命令行出現順序掃描目標文件和靜態庫

2.? 鏈接器維護一個目標文件的集合E，一個未解析符號集合U，以及E中已定義的符號集合D，初始狀態E、U、D都為空

3.? 對命令行上每個文件f，鏈接器會判斷f是否是一個目標文件還是靜態庫，如果是目標文件，則f加入到E，f中未定義的符號加入到U中，已定義符號加入到D中，繼續下一文件

4.? 如果是靜態庫，鏈接器嘗試到靜態庫目標文件中匹配U中未定義的符號，如果m中匹配U中的一個符號，那么m就和上步中文件f一樣處理，對每個成員文件都依次處理，直到U、D無變化，不包含在E中的成員文件簡單丟棄

5.? 所有輸入文件處理完后，如果U中還有符號，則出錯，否則鏈接正常，輸出可執行文件

問題二：靜態庫順序

如下圖所示，main.cpp依賴liba.a，liba.a又依賴libb.a，根據靜態鏈接算法，如果用g++ main.cpp liba.a libb.a的順序能正常鏈接，因為解析liba.a時未定義符號FunB會加入到上述算法的U中，然后在libb.a中找到定義，如果用g++ main.cpp libb.a liba.a的順序編譯，則無法找到FunB的定義，因為根據靜態鏈接算法，在解析libb.a的時候U為空，所以不需要做任何解析，簡單拋棄libb.a，但在解析liba.a的時候又發現FunB沒有定義，導致U最終不為空，鏈接錯誤，因此在做靜態鏈接時，需要特別注意庫的順序安排，引用別的庫的靜態庫需要放在前面，碰到鏈接很多庫的時候，可能需要做一些庫的調整，從而使依賴關系更清晰。

動態鏈接：

之前大部分內容都是靜態鏈接相關，但靜態鏈接有很多不足：不利于更新，只要有一個庫有變動，都需要重新編譯；不利于共享，每個可執行程序都單獨保留一份，對內存和磁盤是極大的浪費。

要生成動態鏈接庫需要用到參數“-shared -fPIC”表示要生成位置無關PIC（Position Independent Code）的共享目標文件。對靜態鏈接，在生成可執行目標文件時整個鏈接過程就完成了，但要想實現動態鏈接的效果，就需要把程序按照模塊拆分成相對獨立的部分，在程序運行時將他們鏈接成一個完整的程序，同時為了實現代碼在不同程序間共享要保證代碼是和位置無關的（因為共享目標文件在每個程序中被加載的虛擬地址都不一樣，要保證它不管被加載在哪都能工作），而為了實現位置無關又依賴一個前提：數據段和代碼段的距離總是保持不變。

由于不管在內存中如何加載一個目標模塊，數據段和代碼段間的距離是不變的，編譯器在數據段前面引入了一個全局偏移表GOT（Global Offset Table），被引用的全局變量或者函數在GOT中都有一條記錄，同時編譯器為GOT中每個條目生成一個重定位記錄，因為數據段是可以修改的，動態鏈接器在加載時會重定位GOT中的每個條目，這樣就實現了PIC。大體原理基本就這樣，但具體實現時，對函數的處理和全局變量有所不同。由于大型程序函數成千上萬，而程序很可能只會用到其中的一小部分，因此沒必要加載的時候把所有的函數都做重定位，只有在用到的時候才對地址做修訂，為此編譯器引入了過程鏈接表PLT（Procedure Linkage Table）來實現延時綁定。PLT在代碼段中，它指向了GOT中函數對應的地址，第一次調用時候，GOT存放的不是函數的實際地址，而是PLT跳轉到GOT代碼的后一條指令地址，這樣第一次通過PLT跳轉到GOT，然后通過GOT又調回到PLT的下一條指令，相當于什么也沒做，緊接著PLT后面的代碼會將動態鏈接需要的參數入棧，然后調用動態鏈接器修正GOT中的地址，從這以后，PLT中代碼跳轉到GOT的地址就是函數真正的地址，從而實現了所謂的延時綁定。

對共享目標文件而言，有幾個需要關注的section：

有了以上基礎后，我們看一下動態鏈接的過程：

1.? 裝載過程中程序執行會跳轉到動態鏈接器

2.? 動態鏈接器自舉通過GOT、.dynamic信息完成自身的重定位工作

3.? 裝載共享目標文件：將可執行文件和鏈接器本身符號合并入全局符號表，依次廣度優先遍歷共享目標文件，它們的符號表會不斷合并到全局符號表中，如果多個共享對象有相同的符號，則優先載入的共享目標文件會屏蔽掉后面的符號

4.? 重定位和初始化

問題三：全局符號介入

動態鏈接過程中最關鍵的第3步可以看到，當多個共享目標文件中包含一個相同的符號，那么會導致先被加載的符號占住全局符號表，后續共享目標文件中相同符號被忽略。當我們代碼中沒有很好的處理命名的話，會導致非常奇怪的錯誤，幸運的話立刻core dump，不幸的話直到程序運行很久以后才莫名其妙的core dump，甚至永遠不會core dump但是結果不正確。

如下圖所示，main.cpp中會用到兩個動態庫libadd.so，libadd1.so的符號，我們把重點

放在Add函數的處理上，當我們以g++ main.cpp libadd.so libadd1.so編譯時，程序輸出“Add in add lib”說明Add是用的libadd.so中的符號（add.cpp），當我們以g++ main.cpp libadd1.so libadd.so編譯時，程序輸出“Add in add1 lib”說明Add是用的libadd1.so中的符號，這時候問題就大了，調用方main.cpp中認為Add只有兩個參數，而add1.cpp中認為Add有三個參數，程序中如果有這樣的代碼，可以預見很可能造成巨大的混亂。具體符號解析我們可以通過LD_DEBUG=all ./a.out來觀察Add的解析過程，如下圖所示：左邊是對應libadd.so在編譯時放在前面的情況，Add綁定在libadd.so中，右邊對應libadd1.so放前面的情況，Add綁定在libadd1.so中。

運行時加載動態庫：

有了動態鏈接和共享目標文件的加持，Linux提供了一種更加靈活的模塊加載方式：通過提供dlopen，dlsym，dlclose，dlerror幾個API，可以實現在運行的時候動態加載模塊，從而實現插件的功能。

如下代碼演示了動態加載Add函數的過程，add.cpp按照正常編譯“g++ -fPIC –shared –o libadd.so add.cpp”成libadd.so，main.cpp通過“g++ main.cpp -ldl”編譯為a.out。main.cpp中首先通過dlopen接口取得一個句柄void *handle，然后通過dlsym從句柄中查找符號Add，找到后將其轉化為Add函數，然后就可以按照正常的函數使用，最后dlclose關閉句柄，期間有任何錯誤可以通過dlerror來獲取。

問題四：靜態全局變量與動態庫導致double free

在全面了解了動態鏈接相關知識后，我們來看一個靜態全局變量和動態庫糾結在一起引發的問題，代碼如下，foo.cpp中有一個靜態全局對象foo_，foo.cpp會編譯成一個libfoo.a，bar.cpp依賴libfoo.a庫，它本身會編譯成libbar.so，main.cpp既依賴于libfoo.a又依賴libbar.so。

編譯的makefile如下：

運行a.out會導致double free的錯誤。這是由于在一個位置上調用了兩次析構函數造成的。之所以會這樣是因為鏈接的時候先鏈接的靜態庫，將foo_的符號解析為靜態庫中的全局變量，當動態鏈接libbar.so時，由于全局已經有符號foo_，因此根據全局符號介入，動態庫中對foo_的引用會指向靜態庫中版本，導致最后在同一個對象上析構了兩次。

解決辦法如下：

1.? 不使用全局對象

2.? 編譯時候調換庫的順序，動態庫放在前面，這樣全局只會有一個foo_對象（對于通過dlopen加載的動態庫則沒法控制）

3.? 全部使用動態庫

4.? 通過編譯器參數來控制符號的可見性。

總結：

通過四個編譯鏈接中碰到的問題，基本把編譯鏈接的這些事覆蓋了一遍，有了這些基礎，在日常工作中應對一般的編譯鏈接問題應該可以做到游刃有余。由于篇幅有限，文章省略了大量的細節，主要集中在大的框架原理性梳理，如果想進一步深挖相關的細節，可參與相關參考文獻，以及閱讀elf.h相關的頭文件。

參考文獻：

1.?《鏈接器和加載器》

2.?《深入理解計算機系統》

3.?《程序員的自我修養》

4.? ?http://www.gnu.org/software/binutils/

C++ Linux 編譯構建 CloudBuild gcc

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