链接装载库

内存、栈、堆

一般应用程序内存空间有如下区域：

• 栈：由操作系统自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量等的值，用于维护函数调用的上下文
• 堆：一般由程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收，用来容纳应用程序动态分配的内存区域
• 可执行文件映像：存储着可执行文件在内存中的映像，由装载器装载是将可执行文件的内存读取或映射到这里
• 保留区：保留区并不是一个单一的内存区域，而是对内存中受到保护而禁止访问的内存区域的总称，如通常 C 语言讲无效指针赋值为 0（NULL），因此 0 地址正常情况下不可能有效的访问数据

栈

栈保存了一个函数调用所需要的维护信息，常被称为堆栈帧（Stack Frame）或活动记录（Activate Record），一般包含以下几方面：

• 函数的返回地址和参数
• 临时变量：包括函数的非静态局部变量以及编译器自动生成的其他临时变量
• 保存上下文：包括函数调用前后需要保持不变的寄存器

堆

堆分配算法：

• 空闲链表（Free List）
• 位图（Bitmap）
• 对象池

“段错误（segment fault）” 或 “非法操作，该内存地址不能 read/write”

典型的非法指针解引用造成的错误。当指针指向一个不允许读写的内存地址，而程序却试图利用指针来读或写该地址时，会出现这个错误。

普遍原因：

• 将指针初始化为 NULL，之后没有给它一个合理的值就开始使用指针
• 没用初始化栈中的指针，指针的值一般会是随机数，之后就直接开始使用指针

编译链接

各平台文件格式

编译链接过程

1. 预编译（预编译器处理如 #include、#define 等预编译指令，生成 .i 或 .ii 文件）
2. 编译（编译器进行词法分析、语法分析、语义分析、中间代码生成、目标代码生成、优化，生成 .s 文件）
3. 汇编（汇编器把汇编码翻译成机器码，生成 .o 文件）
4. 链接（连接器进行地址和空间分配、符号决议、重定位，生成 .out 文件）

现在版本 GCC 把预编译和编译合成一步，预编译编译程序 cc1、汇编器 as、连接器 ld

MSVC 编译环境，编译器 cl、连接器 link、可执行文件查看器 dumpbin

目标文件

编译器编译源代码后生成的文件叫做目标文件。目标文件从结构上讲，它是已经编译后的可执行文件格式，只是还没有经过链接的过程，其中可能有些符号或有些地址还没有被调整。

可执行文件（Windows 的 .exe 和 Linux 的 ELF）、动态链接库（Windows 的 .dll 和 Linux 的 .so）、静态链接库（Windows 的 .lib 和 Linux 的 .a）都是按照可执行文件格式存储（Windows 按照 PE-COFF，Linux 按照 ELF）

目标文件格式

• Windows 的 PE（Portable Executable），或称为 PE-COFF，.obj 格式
• Linux 的 ELF（Executable Linkable Format），.o 格式
• Intel/Microsoft 的 OMF（Object Module Format）
• Unix 的 a.out 格式
• MS-DOS 的 .COM 格式

PE 和 ELF 都是 COFF（Common File Format）的变种

目标文件存储结构

其他段略

链接的接口————符号

在链接中，目标文件之间相互拼合实际上是目标文件之间对地址的引用，即对函数和变量的地址的引用。我们将函数和变量统称为符号（Symbol），函数名或变量名就是符号名（Symbol Name）。

如下符号表（Symbol Table）：

Linux 的共享库（Shared Library）

Linux 下的共享库就是普通的 ELF 共享对象。

共享库版本更新应该保证二进制接口 ABI（Application Binary Interface）的兼容

命名

libname.so.x.y.z

• x：主版本号，不同主版本号的库之间不兼容，需要重新编译
• y：次版本号，高版本号向后兼容低版本号
• z：发布版本号，不对接口进行更改，完全兼容

路径

大部分包括 Linux 在内的开源系统遵循 FHS（File Hierarchy Standard）的标准，这标准规定了系统文件如何存放，包括各个目录结构、组织和作用。

• /lib：存放系统最关键和最基础的共享库，如动态链接器、C 语言运行库、数学库等
• /usr/lib：存放非系统运行时所需要的关键性的库，主要是开发库
• /usr/local/lib：存放跟操作系统本身并不十分相关的库，主要是一些第三方应用程序的库

动态链接器会在 /lib、/usr/lib 和由 /etc/ld.so.conf 配置文件指定的，目录中查找共享库

环境变量

• LD_LIBRARY_PATH：临时改变某个应用程序的共享库查找路径，而不会影响其他应用程序
• LD_PRELOAD：指定预先装载的一些共享库甚至是目标文件
• LD_DEBUG：打开动态链接器的调试功能

so 共享库的编写

使用 CLion 编写共享库

创建一个名为 MySharedLib 的共享库

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(MySharedLib)
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
add_library(MySharedLib SHARED library.cpp library.h)

library.h

#ifndef MYSHAREDLIB_LIBRARY_H
#define MYSHAREDLIB_LIBRARY_H
// 打印 Hello World!
void hello();
// 使用可变模版参数求和
template <typename T>
T sum(T t)
{
    return t;
}
template <typename T, typename ...Types>
T sum(T first, Types ... rest)
{
    return first + sum<T>(rest...);
}
#endif

library.cpp

#include <iostream>
#include "library.h"
void hello() {
    std::cout << "Hello, World!" << std::endl;
}

so 共享库的使用（被可执行项目调用）

使用 CLion 调用共享库

创建一个名为 TestSharedLib 的可执行项目

CMakeLists.txt

cmake_minimum_required(VERSION 3.10)
project(TestSharedLib)
# C++11 编译
set(CMAKE_CXX_STANDARD 11)
# 头文件路径
set(INC_DIR /home/xx/code/clion/MySharedLib)
# 库文件路径
set(LIB_DIR /home/xx/code/clion/MySharedLib/cmake-build-debug)
include_directories(${INC_DIR})
link_directories(${LIB_DIR})
link_libraries(MySharedLib)
add_executable(TestSharedLib main.cpp)
# 链接 MySharedLib 库
target_link_libraries(TestSharedLib MySharedLib)

main.cpp

#include <iostream>
#include "library.h"
using std::cout;
using std::endl;
int main() {
    hello();
    cout << "1 + 2 = " << sum(1,2) << endl;
    cout << "1 + 2 + 3 = " << sum(1,2,3) << endl;
    return 0;
}

执行结果

Hello, World!
1 + 2 = 3
1 + 2 + 3 = 6

Windows 应用程序入口函数

• GUI（Graphical User Interface）应用，链接器选项：/SUBSYSTEM:WINDOWS
• CUI（Console User Interface）应用，链接器选项：/SUBSYSTEM:CONSOLE

_tWinMain 与 _tmain 函数声明

Int WINAPI _tWinMain(
    HINSTANCE hInstanceExe,
    HINSTANCE,
    PTSTR pszCmdLine,
    int nCmdShow);
int _tmain(
    int argc,
    TCHAR *argv[],
    TCHAR *envp[]);

Windows 的动态链接库（Dynamic-Link Library）

知识点来自《Windows核心编程（第五版）》

用处

• 扩展了应用程序的特性
• 简化了项目管理
• 有助于节省内存
• 促进了资源的共享
• 促进了本地化
• 有助于解决平台间的差异
• 可以用于特殊目的

注意

• 创建 DLL，事实上是在创建可供一个可执行模块调用的函数
• 当一个模块提供一个内存分配函数（malloc、new）的时候，它必须同时提供另一个内存释放函数（free、delete）
• 在使用 C 和 C++ 混编的时候，要使用 extern “C” 修饰符
• 一个 DLL 可以导出函数、变量（避免导出）、C++ 类（导出导入需要同编译器，否则避免导出）
• DLL 模块：cpp 文件中的 __declspec(dllexport) 写在 include 头文件之前
• 调用 DLL 的可执行模块：cpp 文件的 __declspec(dllimport) 之前不应该定义 MYLIBAPI

加载 Windows 程序的搜索顺序

1. 包含可执行文件的目录
2. Windows 的系统目录，可以通过 GetSystemDirectory 得到
3. 16 位的系统目录，即 Windows 目录中的 System 子目录
4. Windows 目录，可以通过 GetWindowsDirectory 得到
5. 进程的当前目录
6. PATH 环境变量中所列出的目录

DLL 入口函数

DllMain 函数

BOOL WINAPI DllMain(HINSTANCE hinstDLL, DWORD fdwReason, LPVOID lpvReserved)
{
    switch(fdwReason)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH:
        // 第一次将一个DLL映射到进程地址空间时调用
        // The DLL is being mapped into the process' address space.
        break;
    case DLL_THREAD_ATTACH:
        // 当进程创建一个线程的时候，用于告诉DLL执行与线程相关的初始化（非主线程执行）
        // A thread is bing created.
        break;
    case DLL_THREAD_DETACH:
        // 系统调用 ExitThread 线程退出前，即将终止的线程通过告诉DLL执行与线程相关的清理
        // A thread is exiting cleanly.
        break;
    case DLL_PROCESS_DETACH:
        // 将一个DLL从进程的地址空间时调用
        // The DLL is being unmapped from the process' address space.
        break;
    }
    return (TRUE); // Used only for DLL_PROCESS_ATTACH
}

载入卸载库

LoadLibrary、LoadLibraryExA、LoadPackagedLibrary、FreeLibrary、FreeLibraryAndExitThread 函数声明

// 载入库
HMODULE WINAPI LoadLibrary(
  _In_ LPCTSTR lpFileName
);
HMODULE LoadLibraryExA(
  LPCSTR lpLibFileName,
  HANDLE hFile,
  DWORD  dwFlags
);
// 若要在通用 Windows 平台（UWP）应用中加载 Win32 DLL，需要调用 LoadPackagedLibrary，而不是 LoadLibrary 或 LoadLibraryEx
HMODULE LoadPackagedLibrary(
  LPCWSTR lpwLibFileName,
  DWORD   Reserved
);
// 卸载库
BOOL WINAPI FreeLibrary(
  _In_ HMODULE hModule
);
// 卸载库和退出线程
VOID WINAPI FreeLibraryAndExitThread(
  _In_ HMODULE hModule,
  _In_ DWORD   dwExitCode
);

显示地链接到导出符号

GetProcAddress 函数声明

FARPROC GetProcAddress(
  HMODULE hInstDll,
  PCSTR pszSymbolName  // 只能接受 ANSI 字符串，不能是 Unicode
);

DumpBin.exe 查看 DLL 信息

在 VS 的开发人员命令提示符 使用 DumpBin.exe 可查看 DLL 库的导出段（导出的变量、函数、类名的符号）、相对虚拟地址（RVA，relative virtual address）。如：

DUMPBIN -exports D:\mydll.dll

LoadLibrary 与 FreeLibrary 流程图

LoadLibrary 与 FreeLibrary 流程图

LoadLibrary

FreeLibrary

DLL 库的编写（导出一个 DLL 模块）

DLL 库的编写（导出一个 DLL 模块） DLL 头文件

// MyLib.h
#ifdef MYLIBAPI
// MYLIBAPI 应该在全部 DLL 源文件的 include "Mylib.h" 之前被定义
// 全部函数/变量正在被导出
#else
// 这个头文件被一个exe源代码模块包含，意味着全部函数/变量被导入
#define MYLIBAPI extern "C" __declspec(dllimport)
#endif
// 这里定义任何的数据结构和符号
// 定义导出的变量（避免导出变量）
MYLIBAPI int g_nResult;
// 定义导出函数原型
MYLIBAPI int Add(int nLeft, int nRight);

DLL 源文件

// MyLibFile1.cpp
// 包含标准Windows和C运行时头文件
#include <windows.h>
// DLL源码文件导出的函数和变量
#define MYLIBAPI extern "C" __declspec(dllexport)
// 包含导出的数据结构、符号、函数、变量
#include "MyLib.h"
// 将此DLL源代码文件的代码放在此处
int g_nResult;
int Add(int nLeft, int nRight)
{
    g_nResult = nLeft + nRight;
    return g_nResult;
}

DLL 库的使用（运行时动态链接 DLL）

DLL 库的使用（运行时动态链接 DLL）

// A simple program that uses LoadLibrary and 
// GetProcAddress to access myPuts from Myputs.dll. 
#include <windows.h> 
#include <stdio.h> 
typedef int (__cdecl *MYPROC)(LPWSTR); 
int main( void ) 
{ 
    HINSTANCE hinstLib; 
    MYPROC ProcAdd; 
    BOOL fFreeResult, fRunTimeLinkSuccess = FALSE; 
    // Get a handle to the DLL module.
    hinstLib = LoadLibrary(TEXT("MyPuts.dll")); 
    // If the handle is valid, try to get the function address.
    if (hinstLib != NULL) 
    { 
        ProcAdd = (MYPROC) GetProcAddress(hinstLib, "myPuts"); 
        // If the function address is valid, call the function.
        if (NULL != ProcAdd) 
        {
            fRunTimeLinkSuccess = TRUE;
            (ProcAdd) (L"Message sent to the DLL function\n"); 
        }
        // Free the DLL module.
        fFreeResult = FreeLibrary(hinstLib); 
    } 
    // If unable to call the DLL function, use an alternative.
    if (! fRunTimeLinkSuccess) 
        printf("Message printed from executable\n"); 
    return 0;
}

运行库（Runtime Library）

典型程序运行步骤

1. 操作系统创建进程，把控制权交给程序的入口（往往是运行库中的某个入口函数）
2. 入口函数对运行库和程序运行环境进行初始化（包括堆、I/O、线程、全局变量构造等等）。
3. 入口函数初始化后，调用 main 函数，正式开始执行程序主体部分。
4. main 函数执行完毕后，返回到入口函数进行清理工作（包括全局变量析构、堆销毁、关闭I/O等），然后进行系统调用结束进程。

一个程序的 I/O 指代程序与外界的交互，包括文件、管程、网络、命令行、信号等。更广义地讲，I/O 指代操作系统理解为 “文件” 的事物。

glibc 入口

_start -> __libc_start_main -> exit -> _exit

其中 main(argc, argv, __environ) 函数在 __libc_start_main 里执行。

MSVC CRT 入口

int mainCRTStartup(void)

执行如下操作：

1. 初始化和 OS 版本有关的全局变量。
2. 初始化堆。
3. 初始化 I/O。
4. 获取命令行参数和环境变量。
5. 初始化 C 库的一些数据。
6. 调用 main 并记录返回值。
7. 检查错误并将 main 的返回值返回。

C 语言运行库（CRT）

大致包含如下功能：

• 启动与退出：包括入口函数及入口函数所依赖的其他函数等。
• 标准函数：有 C 语言标准规定的C语言标准库所拥有的函数实现。
• I/O：I/O 功能的封装和实现。
• 堆：堆的封装和实现。
• 语言实现：语言中一些特殊功能的实现。
• 调试：实现调试功能的代码。

C语言标准库（ANSI C）

包含：

• 标准输入输出（stdio.h）
• 文件操作（stdio.h）
• 字符操作（ctype.h）
• 字符串操作（string.h）
• 数学函数（math.h）
• 资源管理（stdlib.h）
• 格式转换（stdlib.h）
• 时间/日期（time.h）
• 断言（assert.h）
• 各种类型上的常数（limits.h & float.h）
• 变长参数（stdarg.h）
• 非局部跳转（setjmp.h）