1. 链接

链接的主要任务可以概括为两点：

1. 符号解析 (Symbol Resolution)：确保每个模块中引用的外部符号（如函数名、全局变量名）都能在其他模块中找到唯一定义。

2. 重定位 (Relocation)：将各个模块的代码段、数据段合并，并修正代码中对内存地址的引用，使其指向正确的最终地址。

2. 原理详解

目标模块 (Object Module) 是什么？

错误认知纠正：目标模块不是库函数的一小部分。这是一个非常普遍的误解。

• 准确定义：目标模块 (Object Module) 是编译器或汇编器处理单个源文件（如 .c 或 .s 文件）后生成的中间产物。在Windows中通常是 .obj 文件，在Linux/Unix中是 .o 文件。它包含了该源文件转换成的机器指令和数据。

• 内容剖析：一个目标模块（比如 main.o）就像一个“半成品”，它内部包含了：

  • 代码段 (.text)：编译好的机器指令。

  • 数据段 (.data, .bss)：已初始化的全局变量和静态变量、未初始化的全局/静态变量占位符。

  • 符号表 (Symbol Table)：记录了本模块能提供给其他模块使用的符号（比如函数 main），以及本模块需要从其他模块引用的符号（比如函数 printf）。

  • 重定位信息 (Relocation Information)：一个列表，记录了哪些指令的地址部分需要-在链接时进行修正。

• 库函数与目标模块的关系：一个标准库（如C语言的 libc.a）可以看作是一个**“目标模块压缩包”**。它里面包含了成百上千个已经编译好的目标模块，例如 printf.c 编译成了 printf.o，scanf.c 编译成了 scanf.o，然后把这些 .o 文件打包在一起，就成了 libc.a。链接器在工作时，会根据你的需要，从这个“压缩包”里“解压”出它需要的那个 .o 文件（比如 printf.o），而不是整个库或者库的一部分。

可重定位 (Relocatable)

核心目的：为了实现模块化编程和代码复用。

我们写的程序通常不是一个巨大的单文件，而是由多个源文件（模块）构成。比如 a.c, b.c, main.c。我们可以独立地编译它们：

• gcc -c a.c -> a.o

• gcc -c b.c -> b.o

• gcc -c main.c -> main.o

在编译 main.c 的时候，编译器知道 main 函数调用了 a.c 里的函数 func_a，但它根本不知道 func_a 将来会被放在内存的哪个地址。它怎么做呢？

它只能先生成一条“不完整”的 call 指令，比如 call 0x00000000，同时在 main.o 的重定位信息里记下一笔：“嘿，链接器，我这里第N个字节的 call 指令，它的目标地址需要你以后填上 func_a 的真正地址”。

这就是“可重定位”的含义：目标模块中的代码和数据地址都是相对的、未确定的，像是一块块可以随意搬运的积木，其内部的地址引用都只是占位符，等待链接器来赋予它们最终的、绝对的内存地址。

如果没有可重定位机制，那我们每次修改任何一个 .c 文件，都必须把所有源文件重新一起编译，因为任何一个文件的改变都可能影响其他所有函数在内存中的布局，这在大型项目中是不可想象的。

合并过程

现在我们用一个完整的例子来串起所有知识点。

场景：我们有两个源文件 main.c 和 math.c。

math.c:

int global_var = 10; // 一个全局变量

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

main.c:

#include <stdio.h>

extern int global_var; // 声明要使用外部的全局变量
extern int add(int, int); // 声明要使用外部的函数

int main() {
    int result = add(5, 3);
    printf("Result is %d, global_var is %d\n", result, global_var);
    return 0;
}

链接过程图解

+------------+     +------------+      +--------------------+
|   main.c   | --> |   main.o   |      |                    |
+------------+     +------------+      |                    |
                  (引用 add,      |      |  可执行文件        |
                   global_var,   |----->|     program.exe    |
                   printf)       |      |                    |
                                 |      |  (所有地址已确定)   |
+------------+     +------------+  |  +->|                    |
|   math.c   | --> |   math.o   |--+  |  +--------------------+
+------------+     +------------+     |
                  (定义 add,      |     |
                   global_var)   |  链接器 |
                                 | (ld)  |
+------------+     +------------+  |     |
|  printf.c  | --> |  printf.o  |--+     |
+------------+     +------------+        |
|  (在libc.a中) |  (定义 printf) |--------+
+------------+     +------------+

链接器 (Linker, 如 ld) 的工作步骤：

1. 空间合并与地址分配 (合并同类项)

   • 链接器收集所有输入的 .o 文件（main.o, math.o 以及从 libc.a 中抽取的 printf.o 等）。

   • 它发现每个 .o 文件都有 .text (代码), .data (数据)等段。

   • 它会把所有 .o 文件的 .text 段合并成一个大的 .text 段，所有 .data 段合并成一个大的 .data 段。

   • 在合并的同时，它为这些新合成的大段落分配虚拟内存地址。比如，它决定：

     • .text 段从地址 0x401000 开始。

     • .data 段从地址 0x602000 开始。

   • 现在，每个函数、每个全局变量在最终的程序里都有了确定的家（内存地址）。

     • add 函数的地址可能是 0x401050。

     • global_var 的地址可能是 0x602010。

     • printf 函数的地址可能是 0x401080。

2. 符号解析与重定位 (填空)

   • 链接器遍历所有模块的重定位信息。

   • 处理 main.o：

     • 它看到 main.o 中有一条 call add 指令，其地址是空的。链接器在符号表中查到 add 的最终地址是 0x401050，于是把这个地址填入 call 指令中。

     • 它看到 main.o 中有一条访问 global_var 的指令。查表得知 global_var 的地址是 0x602010，于是把这个地址填进去。

     • 它看到 main.o 中有一条 call printf 指令。查表得知 printf 的地址是 0x401080，于是把这个地址填进去。

   • 处理 math.o 和 printf.o：这些文件内部可能也有需要重定位的地方，链接器会用同样的方法处理。

经过这两个步骤，所有“半成品”.o模块就被完美地拼接成了一个单一、完整、地址确定、可以直接被操作系统加载到内存运行的可执行文件。

3.

1. **错误类型

   • 编译时错误：语法错误、类型不匹配等。int a = "hello";

   • 链接时错误：最经典的就是 “Undefined reference to/Undefined symbol” (未定义的引用/符号)。比如你声明了 extern int func(); 但忘了把定义 func 的那个 .c 文件一起链接，或者库链接漏了。另一个是 “Multiple definition of” (多重定义)，即两个模块定义了同名的全局函数或变量。

   • 运行时错误：逻辑错误、除以零、空指针解引用、数组越界等。

2. 静态链接 vs. 动态链接

   • 我们上面讲的整个过程叫 静态链接 (Static Linking)。库代码被实实在在地复制进了最终的可执行文件。

     • 优点：程序不依赖外部库文件，移植性好。

     • 缺点：可执行文件体积大；如果库更新了，整个程序需要重新链接。

   • 动态链接 (Dynamic Linking)：链接时，只在可执行文件中记录一个“需要 libc.so 库中的 printf 函数”的标记。程序运行时，操作系统才会去加载共享库 (.so 或 .dll)，并完成最终的地址修正。

     • 优点：可执行文件体积小，多个程序可共享内存中的同一份库，节省资源；库更新方便。

     • 缺点：依赖外部库文件，可能出现库版本不兼容问题。

   • 考点：题目可能会问静态/动态链接的优缺点对比，或者给出场景判断哪种链接方式更合适。408主要考察静态链接的概念。

3. 重定位与装入的区别

   • 重定位 (Relocation)：是链接器在生成可执行文件时做的工作，它使用的是虚拟地址。

   • 装入 (Loading)：是操作系统的加载器 (Loader) 在程序运行时做的工作。加载器读取可执行文件，将其内容放入物理内存，并可能进行地址转换（如果采用动态地址映射）。