前面已经弄清楚了 .o、ELF、Section、Segment 和静态链接。

程序编译链接完成以后，还差最后一步：

它到底是怎么跑起来的？

比如我在终端输入：

./main

程序显然不会凭空出现在内存里。

操作系统需要先读取 ELF 文件，建立进程的地址空间，把程序需要的内容加载进去。

如果程序还依赖了：

libc.so
libmystdio.so

这些动态库也得处理。

这一篇主要把这部分串起来。

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一、ELF还没加载进内存的时候，有地址吗？

刚开始接触这个问题时，我会觉得：

程序都还在磁盘里，没有进入内存，怎么可能已经有地址？

但 ELF 文件本身已经有自己的地址组织方式了。

在现代计算机的平坦模式下，程序中的代码和数据会进行统一编址。

所以，即使程序此时还在磁盘上，这些代码和数据也已经拥有对应的逻辑地址关系。

使用：

objdump -S main

或者查看 ELF Header：

readelf -h main

都可以看到这些信息。

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二、程序从哪里开始执行？

一个 ELF 可执行文件里面有一个很重要的字段：

Entry point address

也就是程序入口地址。

比如：

Entry point address: 0x1060

程序启动的时候并不是直接跑到我们写的：

main()

而是先从入口位置开始。

Linux 下通常会先进入：

_start

然后经过 C 运行时环境的初始化，最后才进入：

main

所以：

程序启动
   ↓
_start
   ↓
初始化
   ↓
动态链接等处理
   ↓
__libc_start_main
   ↓
main

这个过程平时写 C/C++ 的时候基本看不到，但真正运行的时候确实存在。

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三、Segment和进程地址空间

前面研究 ELF 的时候已经知道，Section 最终会根据属性组合成 Segment。

程序加载的时候，真正和内存布局关系比较密切的就是 Segment。

一个 Segment 会有自己的：

起始地址
长度
权限

这些信息可以拿来初始化进程地址空间中的对应区域。

可以粗略地理解成：

ELF
 ↓
Program Header Table
 ↓
找到各个需要加载的 Segment
 ↓
建立进程地址空间
 ↓
把对应内容映射进去

所以 Program Header Table 对运行时加载非常重要。

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四、是不是所有Section都会加载到内存？

不是。

ELF 里有很多 Section 是为了链接、调试或者描述文件结构准备的，并不是每一个都需要作为程序内容加载到内存。

真正和加载有关的是 Program Header Table 里面的 Segment。

例如：

readelf -l main

可以看到：

LOAD
LOAD
DYNAMIC
...

其中 LOAD 表示这一部分后面要被加载。

所以：

Section
    ↓
ELF文件内部怎么组织

Segment
    ↓
运行时怎么加载

这个区别到这里就比较好理解了。

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五、静态链接和动态链接最大的区别

静态链接的时候：

.o
+
静态库中的.o
      ↓
   一起链接
      ↓
独立可执行文件

库里的代码已经进入最终程序。

动态链接则不一样。

比如：

ldd main.exe

可能看到：

libc.so.6
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2

这些动态库并没有在编译链接时把完整代码直接塞进可执行文件。

程序真正启动以后，动态链接器才会去处理这些库。

所以可以把动态链接理解成：

把一部分链接工作推迟到程序运行的时候。

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六、动态库为什么不会每个进程都复制一份？

假设机器上同时运行：

程序A
程序B
程序C

它们都需要：

libc.so

如果每个进程都在内存里完整复制一份，那肯定浪费。

动态链接的一个重要特点就是：

多个进程可以共享同一份动态库代码。

动态库加载到内存以后，不同进程都可以通过自己的地址空间去访问它，从而减少内存和磁盘空间的浪费。

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七、动态库加载以后，地址一定一样吗？

不一定。

一个进程和另一个进程的地址空间并不相同。

而且一个动态库每次加载到内存的位置也可能不同。

所以动态库不能简单地写死：

我永远在 0x12345678

这种绝对地址。

它更适合使用：

相对地址。

也就是：

动态库起始地址
+
函数在库中的偏移量
=
函数真正的地址

这样动态库换一个位置以后，只要起始地址变化，内部的偏移关系仍然有效。

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八、动态库到底怎么和当前进程对应起来？

可以把过程想成这样：

进程
  ↓
加载动态库
  ↓
动态库映射到进程地址空间
  ↓
知道动态库起始地址
  ↓
知道某个函数在库里的偏移量
  ↓
找到函数

比如某个函数在动态库中的偏移是：

0x500

当前动态库加载到：

0x70000000

那么函数地址就可以理解成：

0x70000000 + 0x500

核心思想就是：

起始地址 + 偏移量。

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九、问题来了：代码区不是只读的吗？

这里就出现一个很有意思的问题。

程序中的 .text 一般是代码区，而代码区不能随便修改。

但是动态链接又需要在运行时确定函数地址。

那怎么办？

总不能直接把：

.text

里面的指令改来改去吧。

于是就出现了：

GOT（Global Offset Table，全局偏移量表）

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十、GOT到底是干什么的？

GOT 可以理解成程序专门准备的一张“地址表”。

它通常位于可读写的数据区域，因此运行时可以修改。

里面保存的是程序当前需要访问的外部函数或者全局变量的地址。

所以原来的思路：

代码区
   ↓
直接写死外部函数地址

变成：

代码区
   ↓
查GOT
   ↓
找到真正地址
   ↓
跳过去

这样就不用直接修改代码区。

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十一、为什么每个进程都需要自己的GOT？

假设：

进程A

里面的：

libc.so

加载到了：

0x70000000

而：

进程B

里的：

libc.so

可能加载到了另一个位置。

那么：

进程A里的GOT

和：

进程B里的GOT

当然不能完全一样。

所以动态库代码本身可以共享，但 GOT 不能简单地让所有进程共用。每个进程都要根据自己的地址空间建立对应关系。

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十二、PIC为什么和GOT有关？

动态库制作的时候，我们执行过：

gcc -fPIC -c my_stdio.c

以前只知道：

-fPIC 就是生成位置无关代码。

现在再看就容易理解很多了。

动态库需要能够：

加载到不同的地址

还要：

正常访问其中的函数和数据

这就需要相对寻址和 GOT 一起工作。

可以简单记成：

PIC
=
相对编址
+
GOT

这也是为什么生成动态库的时候需要：

-fPIC

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十三、PLT又是干什么的？

如果一个程序依赖很多动态库函数，那么程序启动的时候把所有函数地址全部处理一遍，会比较耗时间。

假设程序依赖：

printf
write
close
strlen
...

但是实际运行的时候，可能只调用其中几个。

那一开始把所有函数都重定位一遍，就有点浪费了。

所以又出现了一种优化：

延迟绑定。

对应的就是：

PLT（Procedure Linkage Table，过程链接表）

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十四、延迟绑定是怎么工作的？

一开始：

GOT中的函数地址
       ↓
辅助代码

第一次调用某个函数的时候：

调用函数
   ↓
进入PLT
   ↓
查找真正函数地址
   ↓
修改GOT
   ↓
跳转到真正函数

等第二次再调用：

调用函数
   ↓
PLT
   ↓
GOT里已经有真正地址
   ↓
直接跳转

也就是说：

第一次调用的时候麻烦一点，后面就可以直接用了。

这样就避免了程序启动时把大量暂时用不到的函数全部处理一遍。

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十五、把整个动态链接过程串起来

到这里，可以把动态链接整个过程串起来了。

程序运行：

./main

↓

读取 ELF

↓

找到程序需要的 Segment

↓

建立进程地址空间

↓

加载程序本身

↓

根据依赖关系找到动态库

↓

把动态库映射到当前进程地址空间

↓

确定动态库的加载地址

↓

处理 GOT

↓

调用动态库函数

↓

通过 PLT/GOT 找到真正地址

↓

进入动态库函数执行

这样整个过程就顺起来了。

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十六、静态链接和动态链接放在一起

最后再对比一下。

静态链接

hello.o
code.o
静态库
   ↓
链接
   ↓
地址重定位
   ↓
独立可执行程序

程序生成以后，静态库本身不需要再参与运行。

动态链接

.o
 ↓
生成可执行程序
 ↓
程序运行
 ↓
加载动态库
 ↓
建立地址映射
 ↓
GOT / PLT
 ↓
调用动态库函数

动态链接把一部分工作放到了程序运行的时候完成，因此需要处理库加载和运行时地址重定位。

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十七、这部分知识终于串起来了

以前看到：

.a
.so
ELF
GOT
PLT
Segment
Section

感觉一个比一个陌生。

现在把它们按照程序运行的顺序排起来，就比较容易理解：

源代码
 ↓
编译
 ↓
.o
 ↓
链接
 ↓
ELF可执行文件
 ↓
加载
 ↓
进程地址空间
 ↓
动态库
 ↓
GOT
 ↓
PLT
 ↓
真正的库函数

而静态库和动态库的区别，也可以放在这里一起看：

静态库
    ↓
链接阶段进入程序

动态库
    ↓
运行阶段加载和处理

这样再去看：

ldd
readelf
objdump

这些命令，就不只是记它们的用法了，而是知道自己到底在看什么。

这一部分对我来说比较重要的一点，就是开始慢慢把“编译出来的文件”和“真正运行起来的程序”联系到了一起。