当一个工程中有多个文件的时候，链接的本质就是要把多个不同的目标文件相互粘到一起。就想玩具积木一样整合成一个整体。为了使不同的目标文件之间能够相互粘合，这些目标文件之间必须要有固定的规则才行。比如目标文件B用到了目标文件A中的函数”foo”，那么我们就称目标文件A定义了函数foo,目标文件B引用了函数foo。每个函数和变量都有自己独特的名字，避免链接过程中不同变量和函数之间的混淆。在链接过程中，我们将函数和变量统称为符号。函数或者变量名就是符号名
每一个目标文件都会有一个相应的符号表，这个表里面记录了目标文件中所用到的所有符号。每个定义的符号有一个对应的值，叫做符号值，对于变量和函数来说， 符号值就是它们的地址。我们可以通过nm命令来查看目标文件中的符号结果。
root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# nm main.o
0000000000000000 T func1
0000000000000004 C global_init_var
U _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000000000 D global_var
0000000000000024 T main
U printf
0000000000000000 b static_var2.2257
0000000000000004 d static_var.2256
符号表条目有如下结构(from elf.h):
typedef struct {
ELF32_Word st_name;
ELF32_Addr st_value;
ELF32_Word st_size;
unsigned char st_info;
unsigned char st_other;
Elf32_Half sth_shndx;
} Elf32_Sym;
ELF符号表域说明:
域 | 描述 |
st_name | 符号串表索引. 串表用于保存符号名. |
st_value | 符号值: 符号的section索引为SHN_COMMON:符号对齐要求. 重定位文件:离section起始位置的偏移. 执行文件:符号的地址. |
st_size | 对象大小. |
st_info >> 4 | 高4位定义符号的绑定[binding ]: STB_LOCAL (0) symbol is local to the file STB_GLOBAL (1) symbol is visible to all object files STB_WEAK (2) symbol is global with lower precedence |
st_info & 15 | 低4位定义符号的类型: STT_NOTYPE (0) 无类型 STT_OBJECT (1) 数据对象(变量) STT_FUNC (2) 函数 STT_SECTION (3) section名 STT_FILE (4) 文件名 |
st_other | 未使用. |
st_shndx | 定义符号sectiond的索引.特殊的section数包括: SHN_UNDEF (0x0000) 未定义section SHN_ABS (0xfff1) 绝对, 不可重定位符号 SHN_COMMON (0xfff2) 不分配, 外部变量 |
符号所在的段
宏定义名 | 值 | 说明 |
SHN_ABS | 0xfff1 | 该符号包含了一个绝对值，比如表示文件名的符号 |
SHN_COMMON | 0xfff2 | 表示该符号是一个"COMMON块"的符号 一般来说，未初始化的全局符号定义就是这种类型的。 |
SHN_UNDEF | 0 | 该符号在本目标文件中被引用到，但是定义在其他目标文件中 |
我们还是通过readelf命令来查看下main.o文件中的符号。下面的结果和上面的表可以进行一一对应。
root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# readelf -s main.o
Symbol table '.symtab' contains 17 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 FILE LOCAL DEFAULT ABS main.c
2: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 1
3: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 3
4: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 4
5: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 5
6: 0000000000000004 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 3 static_var.2256
7: 0000000000000000 4 OBJECT LOCAL DEFAULT 4 static_var2.2257
8: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 7
9: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 8
10: 0000000000000000 0 SECTION LOCAL DEFAULT 6
11: 0000000000000000 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT 3 global_var
12: 0000000000000004 4 OBJECT GLOBAL DEFAULT COM global_init_var
13: 0000000000000000 36 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 func1
14: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
15: 0000000000000000 0 NOTYPE GLOBAL DEFAULT UND printf
16: 0000000000000024 40 FUNC GLOBAL DEFAULT 1 main
弱符号与强符号
我们经常在编程中碰到一种情况叫符号重复定义。多个目标文件中含有相同名字全局符号的定义，那么这些目标文件链接的时候将会出现符号重复定义的错误。比如我们在目标文件A和目标文件B都定义了一个全局整形变量global，并将它们都初始化，那么链接器将A和B进行链接时会报错：
1 b.o:(.data+0x0): multiple definition of `global'
2 a.o:(.data+0x0): first defined here
这种符号的定义可以被称为强符号（Strong Symbol）。有些符号的定义可以被称为弱符号（Weak Symbol）。对于C语言来说，编译器默认函数和初始化了的全局变量为强符号，未初始化的全局变量为弱符号(C++并没有将未初始化的全局符号视为弱符号)。我们也可以通过GCC的"__attribute__((weak))"来定义任何一个强符号为弱符号。注意，强符号和弱符号都是针对定义来说的，不是针对符号的引用。比如我们有下面这段程序：
extern int ext;
int weak1;
int strong = 1;
int __attribute__((weak)) weak2 = 2;
int main()
{
return 0;
}
上面这段程序中，"weak"和"weak2"是弱符号，"strong"和"main"是强符号，而"ext"既非强符号也非弱符号，因为它是一个外部变量的引用。链接器会按照如下的规则处理被多次定义的全局符号：
规则1：不允许强符号被多次定义。
规则2：如果一个符号在某个目标文件中是强符号，在其他文件中都是弱符号，那么选择强符号。
规则3：如果一个符号在所有的目标文件中都是弱符号，那么选择其中占用空间最大的一个。
我们来看一个实际的例子：在下面的代码中f()没有被定义，因此会报错
int main()
{
f();
return 0;
}
g++ -o bin/Debug/linux_c obj/Debug/chapter8.o obj/Debug/main.o
obj/Debug/main.o：在函数‘main’中：
/home/zhf/codeblocks_prj/linux_c/main.c:15：对‘f’未定义的引用
如果将代码改成如下：
void __attribute__((weak)) f();
int main()
{
if (f){
f();
}
return 0;
}
居然编译通过了，甚至成功执行！让我们看看为什么？
首先声明了一个符号f()，属性为weak，但并不定义它，这样，链接器会将此未定义的weak symbol赋值为0，也就是说f()并没有真正被调用，试试看，去掉if条件，肯定core dump！
我们甚至可以定义强符号来override弱符号：
test.c中代码如下
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
void __attribute__((weak)) f(){
printf("original f()\n");
}
int main(int argc,char *argv[]){
f();
return 0;
}
test1.c中的代码如下：
#include <stdio.h>
void f(void){
printf("override f()\n");
}
执行结果如下：
root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# gcc -c test.c test1.c
root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# gcc -o test test.o test1.o
root@zhf-maple:/home/zhf/c_prj# ./test
override f()
在Linux程序的设计中，如果一个程序被设计成可以支持单线程或多线程的模式，就可以通过弱引用的方法来判断当前的程序是链接到了单线程的Glibc库还是多线程的Glibc库（是否在编译时有-lpthread选项），从而执行单线程版本的程序或多线程版本的程序。我们可以在程序中定义一个pthread_create函数的弱引用，然后程序在运行时动态判断是否链接到pthread库从而决定执行多线程版本还是单线程版本：
#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
int pthread_create( pthread_t*, const pthread_attr_t*,
void* (*)(void*), void*) __attribute__ ((weak));
int main()
{
if(pthread_create)
{
printf("This is multi-thread version!\n");
// run the multi-thread version
// main_multi_thread()
}
else
{
printf("This is single-thread version!\n");
// run the single-thread version
// main_single_thread()
}
}
执行结果如下：
$ gcc pthread.c -o pt
$ ./pt
This is single-thread version!
$ gcc pthread.c -lpthread -o pt
$ ./pt
This is multi-thread version!