计算机组成原理 - 程序的链接，装载和执行

本文打算从 ELF文件格式静态链接，程序装载，动态链接三个方面来分析一下，程序如何链接，装载和执行的。

当程序比如 C 语言程序，编译成汇编代码，在通过汇编器编译成机器码后，会生成一个或多个目标文件，这时 CPU 还不能直接执行，需要通过链接器（Linker）把多个目标文件以及各种函数库链接起来，生成一个可执行文件。然后 CPU 在通过装载器（Loader）把可执行文件装载到内存中，进而从内存里读取执行和数据，来开始真正执行程序。

程序如何执行

ELF 格式和静态链接

ELF（Execuatable and Linkable File Format）可执行和可链接文件格式。

简单来讲，正是因为 ELF 格式文件的存在，使得装载器无需考虑地址跳转等问题，直接解析该 ELF 格式文件，把对应指令和数据，加载到内存供 CPU 执行即可。

ELF 文件格式把各种信息，分成一个一个的 Section 保存起来，里面不仅有汇编指令，还有以下一些数据：

文件头: 表示文件基本属性。（是否可执行，CPU，操作系统是啥等）。
.text Section: 代码段或者指令段，用来保存程序的代码和指令。
.data Section: 数据段（Data Section），用来保存程序里面设置好的初始化数据信息。
.rel.text Secion: 重定位表（Relocation Table），保留的是当前的文件里，哪些跳转地址其实是我们不知道的。
.symtab Section: 符号表（Symbol Table），保留当前文件里面定义的函数名称和对应地址的地址簿。

那么 ELF 格式文件具体如何生成的呢？

首先链接器会扫描所有输入的目标文件，然后把所有符号表里的信息收集起来，构成一个全局的符号表。
然后再根据重定位表，把所有不确定要跳转地址的代码，根据符号表里面存储的地址，进行一次修正。
最后，把所有的目标文件的对应段进行一次合并，变成了最终的可执行代码。

这也是为什么，可执行文件里面的函数调用的地址都是正确的。

程序装载（内存分配优化）

装载器加载指令到内存，CPU 逐条执行。这里涉及到内存的分配，至少要满足以下两点：

可执行程序加载后占用的内存空间应该是连续的
我们需要同时加载很多个程序，并且不能让程序自己规定在内存中加载的位置。

很容易想到可以做一个映射关系，在内存里找一段连续的内存空间，分配给装载的程序，然后把这段连续的内存空间地址，和整个程序指令的物理地址做一个映射。

实际上就是虚拟内存地址和物理内存地址的映射关系。我们只需要关心虚拟内存地址，程序指令执行的时候，会通过虚拟内存地址，找到对应的物理内存地址，然后执行。

这种虚拟内存和物理内存映射的方法也称为分段，他有个不足之处，即内存碎片。

内存碎片导致即使有内存，但因不连续而无法充分利用，即程序装载不进来。当然可以解决，即采用 内存交换。先将最后几个程序写入硬盘，然后加载当前程序，最后再将写入硬盘的程序读到内存。Linux swap 硬盘分区，就是专门给 Linux 操作系统进行内存交换用的。

虚拟内存、分段，再加上内存交换，已经解决了计算机同时装载运行很多个程序的问题，这三者的组合仍然会遇到一个性能瓶颈。硬盘的访问速度要比内存慢很多，而每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。所以，如果内存交换的时候，交换的是一个很占内存空间的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

为了解决这个问题，采用了内存分页技术。和分段这样分配一整段连续的空间给到程序相比，分页是把整个物理内存空间切成一段段固定尺寸的大小。在 Linux 下，每一页我们通常只设置成 4KB。

当内存空间不够，我们需要让现有的、正在运行的其他程序，通过内存交换释放出一些内存的页出来，这样一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，更不会让整个机器被内存交换的过程给卡住。

当返回其它程序，操作系统发现数据并没有加载到物理内存里的时候，就会触发一个来自于 CPU 的缺页错误（Page Fault），操作系统会捕捉到这个错误，然后将对应的页，从存放在硬盘上的虚拟内存里读取出来，加载到物理内存里。

这种方式，使得我们可以运行那些远大于我们实际物理内存的程序。同时，这样一来，任何程序都不需要一次性加载完所有指令和数据，只需要加载当前需要用到就行了。

动态链接

程序装载到内存，根本的问题都是围绕内存不够用，如果我们能够让同样功能的代码，在不同的程序里面，共享一份内存空间呢，不就能节省内存了吗。

这个思路就引入一种新的链接方法，叫作动态链接（Dynamic Link）。相应的，我们之前说的合并代码段的方法，就是静态链接（Static Link）。

在动态链接的过程中，我们想要“链接”的，不是存储在硬盘上的目标文件代码，而是加载到内存中的共享库（Shared Libraries）。

不过，要想要在程序运行的时候共享代码，也有一定的要求，就是这些机器码必须是“地址无关”的。换句话说就是，这段代码，无论加载在哪个内存地址，都能够正常执行。

对于所有动态链接共享库的程序来讲，虽然我们的共享库用的都是同一段物理内存地址，但是在不同的应用程序里，它所在的虚拟内存地址是不同的。我们没办法、也不应该要求动态链接同一个共享库的不同程序，必须把这个共享库所使用的虚拟内存地址变成一致。

那么问题来了，我们要怎么样才能做到，动态共享库编译出来的代码指令，都是地址无关码呢？

我们只需要使用相对地址就好了。各种指令中使用到的内存地址，给出的不是一个绝对的地址空间，而是一个相对于当前指令偏移量的内存地址。因为整个共享库是放在一段连续的虚拟内存地址中的，无论装载到哪一段地址，不同指令之间的相对地址都是不变的。

实际上，在进行 Linux 下的程序开发的时候，我们一直会用到各种各样的动态链接库。C 语言的标准库就在 1MB 以上。我们撰写任何一个程序可能都需要用到这个库，常见的 Linux 服务器里，/usr/bin 下面就有上千个可执行文件。通过动态链接这个方式，可以说彻底解决了这个问题。

总结

程序经过静态链接，程序装载之后，再通过动态链接把内存利用到了极致。这样，我们不仅能够做到代码在开发阶段的复用，也能做到代码在运行阶段的复用。