大多數(shù)編譯系統(tǒng)提供編譯器驅(qū)動(dòng)程序( compiler driver )，它代表用戶在需要時(shí)調(diào)用語言預(yù)處理器、編譯器、匯編器和鏈接器。比如 GCC (GNU Compiler Collection) GUN編譯器套件，其中 GUN 是一個(gè)開源組織，而 GCC 是他們開發(fā)的一款編譯器套件，應(yīng)用十分廣泛。
鏈接 是將各種代碼和數(shù)據(jù)片段收集并組合成為一個(gè)單一文件的過程，這個(gè)文件可被加載（復(fù)制）到內(nèi)存并執(zhí)行。
鏈接前 —— 預(yù)處理、編譯
C 的源代碼。在編寫出來后是不能直接被運(yùn)行的 —— 其實(shí)在完成編寫后只是一個(gè)文本文件而已。
源代碼需要經(jīng)過：預(yù)處理、編譯和匯編這一過程后產(chǎn)生目標(biāo)文件
-
預(yù)處理 ：在這個(gè)階段會(huì)對(duì)源代碼進(jìn)行插入修改等。主要進(jìn)行：頭文件的插入（
#include）、宏的替換（#define）、根據(jù)條件編譯指令（#ifdef、#ifndef、#else、#elif、#endif）過濾掉沒必要的代碼和識(shí)別特殊符號(hào)進(jìn)行替換。 - 編譯：主要是由編譯器完成。主要經(jīng)過：詞法分析、語意分析和中間代碼生成。一般來說會(huì)輸出匯編代碼
- 匯編：主要是匯編器完成。輸入是有編譯器輸出的中間文件 —— 主要為匯編代碼，輸出機(jī)器語言文件。
目標(biāo)文件格式
在介紹鏈接之前需要對(duì)鏈接的目標(biāo) —— 目標(biāo)文件，的格式有所了解才可以清晰的理解鏈接的過程。
每個(gè)操作系統(tǒng)都有自己的目標(biāo)文件的格式。這里便于理解主要采用 Linux 系統(tǒng)下的目標(biāo)文件 ELF（Executeable Linkable Format） 做介紹。
程序的本質(zhì)就是對(duì)數(shù)據(jù)的處理。所以一段程序可以分成兩大部分：數(shù)據(jù)和指令。其中指令就是代表對(duì)數(shù)據(jù)的操作。所以在 ELF 中是分節(jié)儲(chǔ)存的。如圖：
上圖中除了* File Header （文件頭）以外，還有 .text section、.data section* 和 .bss section 。
當(dāng)然上圖只是簡(jiǎn)化版的其中還有許多的其他的節(jié)，為了便于理解就省略了其他的節(jié) 。
其中 File Header 它描述了整個(gè)文件的文件屬性，包括文件的類型，以及目標(biāo)操作系統(tǒng)的信息等。其中有一個(gè)重要的信息就是節(jié)表，節(jié)表保存了各個(gè) 節(jié)的位置以及屬性等節(jié)的信息。
.text 節(jié) (.text section) 保存了執(zhí)行語句的機(jī)器代碼。.data 節(jié) (.data section) 保存了已經(jīng)初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量。.bss節(jié)(.bss section) 保存了未初始化的全局變量和局部靜態(tài)變量。所以總體來說，程序源代碼被編譯以后主要分成兩種段：程序指令和程序數(shù)據(jù)。.text 屬于程序指令，而 .bss 和 .data屬于程序數(shù)據(jù)。
除了圖中出現(xiàn)的節(jié)以外，目標(biāo)文件還會(huì)包含一個(gè)符號(hào)表。符號(hào)表包含了該模塊所定義和引用的所有符號(hào)。
符號(hào)：每個(gè)符號(hào)對(duì)應(yīng)于一個(gè)函數(shù)、一個(gè)全局變量或一個(gè)靜態(tài)變量（在C語言中用 static 申明的變量）。
鏈接
鏈接主要由鏈接器完成。鏈接器主要有兩大任務(wù)：
- 符號(hào)解析：將每個(gè)符號(hào)引用正好和一個(gè)符號(hào)定義關(guān)聯(lián)起來
- 重定位：編譯器和匯編器生成的是地址從0開始的代碼和數(shù)據(jù)。通過把符號(hào)定義與一個(gè)確切的內(nèi)存地址相關(guān)聯(lián)，從而修改這個(gè)符號(hào)引用的地方指向與其符號(hào)定義相關(guān)聯(lián)的內(nèi)存地址。
符號(hào)解析
符號(hào)表是由匯編器構(gòu)造的，使用編譯器輸出到匯編語言.s 文件中的符號(hào)。每個(gè)系統(tǒng)上符號(hào)表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)都是不同的。
鏈接器解析符號(hào)引用的方法是講每個(gè)引用與它輸入的目標(biāo)文件的符號(hào)表中的一個(gè)確定的符號(hào)定義關(guān)聯(lián)起來。
對(duì)于多重定義的全局符號(hào)，鏈接器有他們自己的規(guī)則來處理多重定義的符號(hào)名比如：
- 不允許有多個(gè)同名的強(qiáng)符號(hào)
- 如果有一個(gè)強(qiáng)符號(hào)和多個(gè)弱符號(hào)同名，那么選擇強(qiáng)符號(hào)
- 如果有多個(gè)弱符號(hào)同名，那么從這些若符號(hào)中任意選擇一個(gè)
強(qiáng)符號(hào)：函數(shù)和已經(jīng)初始化的全局變量
弱符號(hào)：未初始化的全局變量
當(dāng)鏈接器解析和靜態(tài)庫相關(guān)的符號(hào)時(shí)，鏈接器會(huì)創(chuàng)建：文件集合E、未解析符號(hào)集合U和已定義符號(hào)集合D。
- 對(duì)于輸入的文件f進(jìn)行判斷是目標(biāo)文件還是存檔文件（庫文件）：如果f是目標(biāo)文件，那么鏈接器吧f添加到E，在根據(jù)f中的符號(hào)引用的關(guān)系來修改U和D。
- 如果f是一個(gè)存檔文件（庫文件），那么鏈接器就嘗試匹配U中未解析的符號(hào)和有存檔文件（庫文件）成員定義的符號(hào)。如果存檔文件（庫文件）中某個(gè)成員m，定義了U集合中的符號(hào)，那么就將m添加到E中，根據(jù)m的符號(hào)來修改U和D集合。對(duì)于存檔文件（庫文件）中的所有成員進(jìn)行以上的操作，知道U和D集合都不在改變，這個(gè)時(shí)候?qū)]在E集合中的成員丟棄。
- 當(dāng)鏈接器完成所有文件上的掃描以后，如果U集合是非空的話那么就輸出錯(cuò)誤鏈接終止。如果是空的那么就合并和重定位E集合中的文件，構(gòu)建輸出的可執(zhí)行文件。
重定位
在完成了符號(hào)解析以后，此時(shí)，鏈接器就知道了整個(gè)模塊的確切大小。那么就可以開始重定位步驟，這個(gè)步驟主要由兩個(gè)部分組成：
- 重定位節(jié)和符號(hào)定義：合并各個(gè)模塊中相同的節(jié)合并為同一類型的聚合節(jié) 。以及吧運(yùn)行時(shí)內(nèi)存地址賦給新的聚合節(jié)和模塊中的給個(gè)符號(hào)。
- 重定位節(jié)中的符號(hào)引用：鏈接器修改代碼節(jié)和數(shù)據(jù)節(jié)中對(duì)每個(gè)符號(hào)的引用，使得它們指向正確的運(yùn)行時(shí)地址。
之前介紹過，在編譯器生成目標(biāo)文件時(shí)候，有許多不同的數(shù)據(jù)節(jié)和代碼節(jié)用來存放不同的代碼和變量等。比如： .data 節(jié)是用來存放已經(jīng)初始化的全局和靜態(tài)變量，.text 節(jié)是用來存放已編譯的程序的機(jī)器代碼，.bss 節(jié)是存放未初始化的全局變量和靜態(tài)變量。而在重定位節(jié)和符號(hào)定義的步驟中，鏈接器會(huì)吧各個(gè)目標(biāo)模塊的這些數(shù)據(jù)節(jié)和代碼節(jié)合并成一個(gè)數(shù)據(jù)節(jié)或者是代碼節(jié)。如多個(gè) .data 節(jié)會(huì)合并成一個(gè) .data 節(jié)。同時(shí)在這個(gè)步驟中鏈接器也會(huì)賦給輸入模塊定義的每個(gè)符號(hào)給地址，這樣到這一步驟完成時(shí)，程序中的每條指令和全局變量都有唯一的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存了。
在所有的符號(hào)都有了唯一的運(yùn)行時(shí)內(nèi)存后，接下來就是要替換掉相關(guān)的符號(hào)引用的以地址來代替了。在匯編器生成目標(biāo)模塊的時(shí)候任何對(duì)外部符號(hào)的引用的地方都會(huì)生成一個(gè)叫重定位的條目，而鏈接器則會(huì)根據(jù)這個(gè)重定位的條目來替換想對(duì)應(yīng)得地址。這就就合并成了一個(gè)可執(zhí)行文件。
到此為止，靜態(tài)鏈接的部分已經(jīng)完成。剩下的就是把可執(zhí)行文件裝載進(jìn)內(nèi)存然后運(yùn)行。同時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接和靜態(tài)鏈接也是不同的。
