链接、加载、ELF 与 ABI

编译器把一个 translation unit 变成 object file 后，函数地址、全局变量位置和外部引用往往仍未确定。链接器组合 section、解析 symbol、应用或保留 relocation，生成 executable/shared object；程序启动时，内核与动态加载器再把 file segment 映射成进程映像，完成运行时重定位和初始化。

本文以 ELF Object File Format 4.3 draft 与 System V ABI 为格式语义，以 GNU Binutils 2.46 ld、Linux/glibc ld.so 为具体工具和加载实现实例。Mach-O、PE/COFF、musl、Android linker 与 Windows loader 的规则不同。

同一个 ELF 的两种视图

Section：给链接器看

section header table 描述 .text、.rodata、.data、.bss、symbol table、string table、relocation 与 debug sections。它们服务于 link editor、debugger 和分析工具。

Segment：给加载器看

program header table 描述 PT_LOAD、PT_DYNAMIC、PT_INTERP、PT_TLS 等 segment，告诉系统如何创建进程映像。多个 section 可被合并进同一个 segment：

ELF file                            process virtual memory
sections                            segments / mappings
.text ----\                         r-x PT_LOAD
.rodata ---+--> linker script --->  r-- PT_LOAD
.data -----+                        rw- PT_LOAD
.bss ------/                        zero-filled tail

section 与 segment 不是同义词。strip 掉某些 section header/debug info 后，程序仍可能依靠 program headers 正常加载。

readelf -hSW program
readelf -l program

分别观察 ELF header/sections 与 program headers，并用 Section to Segment mapping 对照。

Symbol：名字、绑定与可见性

ELF symbol table entry 记录 name、value、size、type、binding、visibility 和 section index。常见 binding：

• STB_LOCAL：object 内局部；
• STB_GLOBAL：可参与跨 object 解析；
• STB_WEAK：缺失时可保留特殊语义，强定义通常优先。

visibility 进一步控制导出和 interposition：

• default visibility 可进入动态 symbol resolution；
• hidden 不被其他 object preempt，常允许更直接代码生成；
• protected/internal 有平台规定的更窄语义。

语言层 name 与 symbol name 之间还有 mangling。C++ overload、namespace、template 和类型信息需要 ABI 编码；extern "C" 主要选择 C linkage/calling convention，并不自动固定 struct layout 或 allocator。

ODR、COMDAT 与 weak

inline function、template、vtable 可能在多个 object 发射。ELF/ABI 和 linker 通过 COMDAT group、weak/vague linkage 等机制保留一个等价定义。若定义实际上不等价，链接成功也不代表程序定义良好。

Relocation：把未知地址推迟

assembler 无法知道外部 symbol 最终地址，于是在 object 中留下 relocation entry。一个典型 relocation 计算包含：

• \(S\)：symbol value；
• \(A\)：addend；
• \(P\)：被修补位置；
• \(B\)：object load base；
• \(G/L\)：GOT/PLT 等平台量。

例如某类 PC-relative relocation 具有：

\[ \text{result} = S + A - P \]

具体公式由 psABI 的 relocation type 定义。链接器把结果写入 instruction/data field，必须同时满足位宽、范围、对齐和 opcode encoding。

readelf -rW file.o
llvm-objdump -dr file.o

objdump -d 只看占位 instruction 容易误读；-r 把 relocation 与反汇编并列，才知道链接后会引用谁。

PIC 与 GOT

Position-independent code 避免把绝对地址散落在只读 text：

• 代码用 PC-relative 方式定位 Global Offset Table；
• GOT slot 保存全局数据或函数最终地址；
• load base 改变时，动态加载器集中重定位数据页；
• PIE 让主 executable 也可被 ASLR 放在不同基址。

PIC 不是“没有 relocation”，而是把 relocation 设计成可共享、可重定位的形式。不同 ISA 的 PC-relative addressing 能力不同，成本不能一概而论。

静态链接与 archive 搜索

.a archive 是 object member 集合和索引，不是“已经合成的大 object”。传统 linker 从命令行左到右处理输入，遇到 archive 时抽取能满足当前 undefined symbol 的 member；之后出现的新 undefined 不一定让 linker 回头。

cc main.o -lconsumer -lprovider

若 consumer 依赖 provider，顺序通常重要。循环依赖可用：

cc main.o -Wl,--start-group -la -lb -Wl,--end-group

但 group 会反复搜索 archive，增加 link cost；更好的模块边界通常能消除循环。

静态链接的收益包括部署依赖减少和部分 whole-program optimization；代价可能包括：

• binary size 与 page cache duplication；
• 安全修复需重新链接/发布；
• NSS、locale、plugin、dlopen 等运行时机制未必真正静态；
• LGPL/其他许可证的分发义务需单独审查；
• kernel ABI 之外仍可能依赖目标系统行为。

动态链接：依赖图与符号查找

动态 ELF 的 PT_INTERP 指向动态加载器。.dynamic/PT_DYNAMIC 提供 DT_NEEDED、string/symbol/hash table、relocation、runpath 等。

启动概念步骤：

1. 内核验证 executable，创建地址空间并映射主程序 segment；
2. 根据 PT_INTERP 启动 dynamic linker；
3. 加载器解析依赖并映射 shared objects；
4. 应用 relative、symbol、TLS 等 relocations；
5. 建立初始 TLS，执行必要 initializer；
6. 把控制转给 runtime entry，最终调用 main。

Linux/glibc 的精确 library search order 受 DT_RPATH、LD_LIBRARY_PATH、DT_RUNPATH、cache、默认目录和 secure-execution mode 影响。RPATH 与 RUNPATH 的传递语义不同；setuid/capability 等安全执行会忽略或清除一部分环境变量。

readelf -dW program
ldd program
LD_DEBUG=libs,bindings ./program

ldd 在不可信 binary 上有历史安全边界；更安全的静态检查可从 readelf -d 开始，并在隔离环境验证实际 loader。

PLT、lazy binding 与 RELRO

函数外部调用常通过 Procedure Linkage Table 与 GOT slot：

call foo@PLT
  -> GOT[foo]
     -> first call: resolver -> lookup foo -> patch slot
     -> later calls: direct target

lazy binding 把 lookup 延后到首次调用，缩短部分启动时间，却把延迟放进业务路径并需要可写 GOT slot。-z now/LD_BIND_NOW 可在启动期完成；RELRO 把完成 relocation 后不应再写的区域设为只读。具体组合以 linker 与 loader 版本核验。

symbol interposition 允许某个 definition preempt 另一个，也限制优化器直接绑定。hidden visibility、-Bsymbolic、-fno-semantic-interposition 等改变语义或优化边界，库作者必须理解 plugin/override 需求。

ABI：二进制契约的全表面

API 说“调用哪个函数”；ABI 还规定机器如何调用：

• scalar/aggregate 参数放哪些寄存器或栈；
• stack alignment、red zone、callee/caller-saved；
• return value、variadic、vector type；
• data size/alignment、bit-field 与 enum；
• symbol mangling、visibility、versioning；
• exception/unwind 与 RTTI；
• TLS model；
• object format、relocation 与 dynamic linking；
• language runtime 和标准库二进制接口。

/* stable_abi.h */
#include <stddef.h>
#include <stdint.h>
typedef struct {
    uint32_t abi_version;
    uint32_t size;
    const char *data;
    size_t data_len;
} message_v1;
int process_message(const message_v1 *msg);

版本与 size 字段允许调用方/被调用方协商已知前缀；仍需固定 integer width、pointer ownership、string encoding、threading、error 和 allocator。

C++ ABI

除 platform psABI 外，C++ ABI 还覆盖：

• vtable/vptr 与多重继承 adjustment；
• name mangling；
• RTTI 与 dynamic_cast；
• exception object、personality 和 unwind；
• guard variable 与 static initialization；
• template/inline/vtable emission。

更换 compiler major 不一定破坏 ABI，但更换标准库、编译选项、debug iterator、sanitizer、exception/RTTI 模式都可能。跨长期稳定边界常导出窄 C ABI，隐藏 C++ 类型，并在同一 module 内完成分配和释放。

TLS、初始化与卸载

Thread-local storage 通过 PT_TLS 和 psABI TLS model 实现。编译器可选 local-exec、initial-exec、local-dynamic、general-dynamic 等模型，在可用范围与访问成本间权衡；dlopen 场景限制最激进模型。

global constructor、.init_array、language runtime initialization 与 atexit 共同形成启动/退出图。跨 translation unit 的初始化顺序可能不稳定；dlclose 还会引入：

• 函数指针/对象仍被其他线程使用；
• TLS destructor 指向已卸载 code；
• exception/RTTI 对象跨 module；
• background thread 未停止；
• static destructor 顺序。

plugin 卸载远比 dlclose(handle) 一步复杂，许多系统选择进程级隔离或不卸载。

工具化检查

file program
readelf -hSWlrdVn program
nm -C --defined-only libexample.so
objdump -T libexample.so
ld --verbose
patchelf --print-interpreter program

回答问题时匹配工具：

问题	证据
缺哪个 symbol	nm/readelf -Ws、link map
谁需要某个库	readelf -d 的 DT_NEEDED
地址为何变化	relocation、PIE/ASLR、load map
运行时加载谁	loader debug、/proc/<pid>/maps
ABI 是否变化	exported symbol/version + layout/calling convention test
binary 为何变大	section size、map file、template/LTO/debug

常见错误

• undefined reference：定义未链接、archive 顺序、visibility、mangling 或版本不匹配；
• multiple definition：ODR、common/strong symbol、生成文件重复；
• relocation truncated：target relocation field 范围不足，需改变 code model/PIC/layout；
• cannot open shared object：search path、RUNPATH、架构、secure mode；
• version 'GLIBCXX_*' not found：运行时标准库 symbol version 比构建环境旧；
• 启动即崩溃：TLS、constructor、relocation、IFUNC、ABI mismatch；
• 仅 release 崩溃：源 UB、LTO 暴露、visibility/interposition 变化；
• plugin 随机崩溃：allocator、exception、RTTI、线程与卸载生命周期跨边界。

继续阅读

• C++ object ABI 的语言侧：见 C++。
• 链接前的 IR 与 LTO：见 LLVM 与优化。
• symbol 如何映射回源码：见调试、符号与动态分析。

Reference

• ELF Object File Format 4.3 draft
• ELF: Program loading and dynamic linking
• ELF: Relocation
• ELF: Dynamic linking
• System V ABI, Edition 4.1
• System V AMD64 psABI
• GNU Binutils 2.46 ld manual
• GNU ld: Linker scripts
• Linux ld.so(8)
• Itanium C++ ABI
• Itanium C++ ABI: Exception handling