Carnegie Mellon Linking ¡ ¡ 15-‑213: ¡Introduc;on ¡to ¡Computer ¡Systems ¡ 13 th ¡Lecture, ¡Oct. ¡13, ¡2015 ¡ Instructors: ¡ ¡ Randal ¡E. ¡Bryant ¡and ¡David ¡R. ¡O’Hallaron ¡ 1 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Today ¡ ¢ Linking ¡ ¢ Case ¡study: ¡Library ¡interposi7oning ¡ 2 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
� � � � Carnegie Mellon Example ¡C ¡Program ¡ int sum(int *a, int n); � int sum(int *a, int n) � { � int array[2] = {1, 2}; � int i, s = 0; � int main() � for (i = 0; i < n; i++) { � { � s += a[i]; � int val = sum(array, 2); � } � return val; � return s; � } � } � sum.c main.c 3 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Sta7c ¡Linking ¡ ¢ Programs ¡are ¡translated ¡and ¡linked ¡using ¡a ¡ compiler ¡driver : ¡ § linux> gcc -Og -o prog main.c sum.c § linux> ./prog main.c sum.c Source ¡files ¡ Translators ¡ Translators ¡ (cpp, ¡cc1, ¡as) ¡ (cpp, ¡cc1, ¡as) ¡ Separately ¡compiled ¡ main.o sum.o relocatable ¡object ¡files ¡ Linker ¡(ld) ¡ Fully ¡linked ¡executable ¡object ¡file ¡ prog (contains ¡code ¡and ¡data ¡for ¡all ¡func;ons ¡ defined ¡in ¡ main.c and sum.c ) ¡ 4 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Why ¡Linkers? ¡ ¢ Reason ¡1: ¡Modularity ¡ § Program ¡can ¡be ¡wriNen ¡as ¡a ¡collec;on ¡of ¡smaller ¡source ¡files, ¡ rather ¡than ¡one ¡monolithic ¡mass. ¡ § Can ¡build ¡libraries ¡of ¡common ¡func;ons ¡(more ¡on ¡this ¡later) ¡ § e.g., ¡Math ¡library, ¡standard ¡C ¡library ¡ 5 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Why ¡Linkers? ¡(cont) ¡ ¢ Reason ¡2: ¡Efficiency ¡ § Time: ¡Separate ¡compila;on ¡ § Change ¡one ¡source ¡file, ¡compile, ¡and ¡then ¡relink. ¡ § No ¡need ¡to ¡recompile ¡other ¡source ¡files. ¡ § Space: ¡Libraries ¡ ¡ § Common ¡func;ons ¡can ¡be ¡aggregated ¡into ¡a ¡single ¡file... ¡ § Yet ¡executable ¡files ¡and ¡running ¡memory ¡images ¡contain ¡only ¡ code ¡for ¡the ¡func;ons ¡they ¡actually ¡use. ¡ 6 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon What ¡Do ¡Linkers ¡Do? ¡ ¢ Step ¡1: ¡Symbol ¡resolu7on ¡ § Programs ¡define ¡and ¡reference ¡ symbols ¡(global ¡variables ¡and ¡func;ons): ¡ § void swap() {…} /* define symbol swap */ § swap(); /* reference symbol swap */ § int *xp = &x; /* define symbol xp, reference x */ ¡ § Symbol ¡defini;ons ¡are ¡stored ¡in ¡object ¡file ¡(by ¡assembler) ¡in ¡ symbol ¡table . ¡ § Symbol ¡table ¡is ¡an ¡array ¡of ¡ structs § Each ¡entry ¡includes ¡name, ¡size, ¡and ¡loca;on ¡of ¡symbol. ¡ § During ¡symbol ¡resolu7on ¡step, ¡the ¡linker ¡associates ¡each ¡symbol ¡reference ¡ with ¡exactly ¡one ¡symbol ¡defini7on. ¡ 7 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon What ¡Do ¡Linkers ¡Do? ¡(cont) ¡ ¢ Step ¡2: ¡Reloca7on ¡ § Merges ¡separate ¡code ¡and ¡data ¡sec;ons ¡into ¡single ¡sec;ons ¡ § Relocates ¡symbols ¡from ¡their ¡rela;ve ¡loca;ons ¡in ¡the ¡ .o ¡files ¡to ¡ their ¡final ¡absolute ¡memory ¡loca;ons ¡in ¡the ¡executable. ¡ § Updates ¡all ¡references ¡to ¡these ¡symbols ¡to ¡reflect ¡their ¡new ¡ posi;ons. ¡ Let’s ¡look ¡at ¡these ¡two ¡steps ¡in ¡more ¡detail…. ¡ 8 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Three ¡Kinds ¡of ¡Object ¡Files ¡(Modules) ¡ ¢ Relocatable ¡object ¡file ¡( .o ¡file) ¡ § Contains ¡code ¡and ¡data ¡in ¡a ¡form ¡that ¡can ¡be ¡combined ¡with ¡other ¡ relocatable ¡object ¡files ¡to ¡form ¡executable ¡object ¡file. ¡ § Each ¡ .o ¡file ¡is ¡produced ¡from ¡exactly ¡one ¡source ¡( .c ) ¡file ¡ ¢ Executable ¡object ¡file ¡( a.out ¡file) ¡ § Contains ¡code ¡and ¡data ¡in ¡a ¡form ¡that ¡can ¡be ¡copied ¡directly ¡into ¡ memory ¡and ¡then ¡executed. ¡ ¢ Shared ¡object ¡file ¡( .so file) ¡ § Special ¡type ¡of ¡relocatable ¡object ¡file ¡that ¡can ¡be ¡loaded ¡into ¡ memory ¡and ¡linked ¡dynamically, ¡at ¡either ¡load ¡;me ¡or ¡run-‑;me. ¡ § Called ¡ Dynamic ¡Link ¡Libraries ¡(DLLs) ¡by ¡Windows ¡ 9 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon Executable ¡and ¡Linkable ¡Format ¡(ELF) ¡ ¢ Standard ¡binary ¡format ¡for ¡object ¡files ¡ ¢ One ¡unified ¡format ¡for ¡ ¡ § Relocatable ¡object ¡files ¡( .o ), ¡ ¡ § Executable ¡object ¡files ¡ (a.out ) ¡ § Shared ¡object ¡files ¡( .so ) ¡ ¢ Generic ¡name: ¡ELF ¡binaries ¡ 10 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
Carnegie Mellon ELF ¡Object ¡File ¡Format ¡ ¢ Elf ¡header ¡ § Word ¡size, ¡byte ¡ordering, ¡file ¡type ¡(.o, ¡ 0 ¡ exec, ¡.so), ¡machine ¡type, ¡etc. ¡ ELF ¡header ¡ ¢ Segment ¡header ¡table ¡ Segment ¡header ¡table ¡ (required ¡for ¡executables) ¡ § Page ¡size, ¡virtual ¡addresses ¡memory ¡segments ¡ (sec;ons), ¡segment ¡sizes. ¡ .text ¡sec7on ¡ ¢ .text ¡sec7on ¡ .rodata ¡sec7on ¡ § Code ¡ .data ¡sec7on ¡ ¢ .rodata sec7on ¡ .bss ¡sec7on ¡ § Read ¡only ¡data: ¡jump ¡tables, ¡... ¡ .symtab sec7on ¡ ¢ .data ¡sec7on ¡ .rel.txt sec7on ¡ § Ini;alized ¡global ¡variables ¡ .rel.data sec7on ¡ ¢ .bss ¡sec7on ¡ .debug sec7on ¡ § Unini;alized ¡global ¡variables ¡ § “Block ¡Started ¡by ¡Symbol” ¡ Sec7on ¡header ¡table ¡ § “BeNer ¡Save ¡Space” ¡ § Has ¡sec;on ¡header ¡but ¡occupies ¡no ¡space ¡ 11 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡ ¡
Carnegie Mellon ELF ¡Object ¡File ¡Format ¡(cont.) ¡ ¢ .symtab ¡sec7on ¡ 0 ¡ § Symbol ¡table ¡ ELF ¡header ¡ § Procedure ¡and ¡sta;c ¡variable ¡names ¡ Segment ¡header ¡table ¡ § Sec;on ¡names ¡and ¡loca;ons ¡ (required ¡for ¡executables) ¡ ¢ .rel.text ¡sec7on ¡ .text ¡sec7on ¡ § Reloca;on ¡info ¡for ¡ .text ¡ sec;on ¡ .rodata ¡sec7on ¡ § Addresses ¡of ¡instruc;ons ¡that ¡will ¡need ¡to ¡be ¡ modified ¡in ¡the ¡executable ¡ .data ¡sec7on ¡ § Instruc;ons ¡for ¡modifying. ¡ .bss ¡sec7on ¡ ¢ .rel.data ¡sec7on ¡ .symtab sec7on ¡ § Reloca;on ¡info ¡for ¡ .data ¡ sec;on ¡ § Addresses ¡of ¡pointer ¡data ¡that ¡will ¡need ¡to ¡be ¡ .rel.txt sec7on ¡ modified ¡in ¡the ¡merged ¡executable ¡ .rel.data sec7on ¡ ¢ .debug ¡sec7on ¡ .debug sec7on ¡ § Info ¡for ¡symbolic ¡debugging ¡( gcc -g ) ¡ ¢ Sec7on ¡header ¡table ¡ Sec7on ¡header ¡table ¡ § Offsets ¡and ¡sizes ¡of ¡each ¡sec;on ¡ 12 Bryant ¡and ¡O’Hallaron, ¡Computer ¡Systems: ¡A ¡Programmer’s ¡Perspec;ve, ¡Third ¡Edi;on ¡
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