SystemSoftware - Linking #1

컴파일된 object 파일들을 linking해서 exe파일로 만드는 과정에서 어떤 일들이 일어나는지 알아보자

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// main.c

int sum(int *a, int n)

int array[2] = {1, 2}

int main(){
    int val = sum(array, 2);
    return val;
}

// sum.c

int sum(int *a, int n){
    int i, s = 0;
    for(i = 0; i < n; i++){
    	s += a[i];
    }
    return s;
}

main.c의 sum 함수는 어떤 과정을 통해서 sum.c의 sum 함수를 불러와서 기능을 수행할 수 있을까?

위와 같이 여러 개로 이루어진 파일들을 연결하는 과정을 Linking이라고 한다.

1. 먼저 cpp(C Pre-Processor 전처리) 과정을 거친다. #include, #define 같은 과정을 통해 code에서 해당하는 부분들을 전처리해준다.
2. cc1이라는 과정을 통해서 어셈블러 코드로 변환된다 C->assembly
3. 마지막으로 어셈블러 코드를 통해 .o파일(바이너리 파일)을 만들어 준다.

위 과정을 거치면 main.c, sum.c 파일 모두. o파일이 생기게 된다.

이때 생성된 .o파일들은 Linker를 통해서 실행 가능한 object파일로 변환된다.

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위와 같은 방법을 통해 Linking을 하는 이유

1. 모듈화(printf 같은 함수가 모듈화가 되었기 때문에 쉽게 불러와서 사용할 수 있다.)
2. 효율성(개별 컴파일 가능, (Static Linking, Dynamic Linking) 나중에 설명.)

 

Linker는 무슨 일을 하는가?

1. 

   심볼들을 연결시켜 준다.(Symbol : 변수명, 함수명, etc..)

 

Object 파일들의 종류

• Relocatable object file (.o file) : 컴파일이 다 된 바이너리 파일이지만 실제 메모리에 로드되어 실행될 수 없는 상태, 심볼들의 연결이 아직 이루어지지 않음
• Executable object file (a.out file) : 실제로 실행 가능한 object 파일
• Shared object file (.so file) : 일반적으로 '라이브러리' 라고 불리는 파일, 동적으로 Link 될 수 있는 파일

 

Excutable and Linkable Format (ELF) 에는 어떤 정보들이 있는가

• 

• ELF header : 파일의 type, 단어의 크기 등과 같은 아주 기본적인 정보가 있는 부분
• Segment header table : Page Size, 가상 메모리 segments, segment 크기 등 파일 실행에 필요한 정보들이 있는 부분
• .text section : 일반적인 코드가 있는 부분
• .rodata section : jump tables 같은 읽기 전용 데이터가 있는 부분
• .data section : 초기화된 전역변수 부분
• .bss section : 초기화되지 않은 전역변수, (Block Started by Symbol, Better Save Space 의 약자)
• .symtab section : Symbol table, static변수 부분
• .rel .text section : .text section의 정보를 재조정 하기위한 정보를 가짐
• .rel .data section : .date section의 전역변수들의 정보를 재배치 하기위한 정보를 가짐
• .debug section : 디버깅을 위한 정보를 가짐(gcc -g)

 

Linker Symbols

• global symbols : non-static 전역변수, non-static 함수
• External symbol : 외부 변수를 참조할 때 사용하는 symbole
• Local symbols : 내부 함수, static 전역변수 (지역변수와는 다름 -> stack에 생성되는 변수(.data section, .bss section 과 연결). 실행 시점과는 연관X)

 

// main.c

int sum(int *a, int n)

//array : global symbol
int array[2] = {1, 2}

//main : global symbol
int main(){
    // Linking을 하기전에는 sum이라는 함수의 주소를 알 수 없어서 비워둠
    // Linking이후에 sum.c에서 sum함수를 연결하고, sum의 주소를 입력해줌
    int val = sum(array, 2);
    // val : stack에 생성(Linker 는 local variable에는 관여 X)
    return val;
}

// sum.c

//sum : global symbol
int sum(int *a, int n){
    //(Linker 는 local variable에는 관여 X)
    int i, s = 0;
    for(i = 0; i < n; i++){
    	s += a[i];
    }
    return s;
}

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//symbols.c

int time;
int foo(int a){
    int b = a + 1;
    return b;
}

int main(int argc, char* argv[]){
    printf("%d\n", foo(5));
    return 0;
}

위 symbols.c에서 symbol table(global v, function, static local...)에 포함되는 변수는 어떤게 있을까?

 

Names:

• time : global 변수
• foo : 함수
• a : 지역변수 (symbol table X)
• b : 지역변수 (symbol table X)
• argc : 지역변수  (symbol table X)
• argv : 지역변수 (symbol table X)
• main : 함수
• printf : 함수

$ readelf -s symbols.o

gcc -c를 이용해 .o 파일을 만든 후, 위 코드를 이용해서 Symbol table을 확인할 수 있다.

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Local Symbols

• local non-static variables : stack에 저장
• local static variables : .bss or .data에 저장

static int x = 15;

int f(){
    static int x = 17;
    return x++;
}

int g(){
    static int x = 19;
    return x += 14;
}

int h(){
    return x += 27;
}

위 코드에서 x라는 변수가 많이 사용된다. f, g함수 내부에서 static int로 x를 선언해서 사용하고, h 함수에서도 x를 사용한다. 변수명이 같은 경우(f, g 함수 내부) x의 symbol은 x.1721, x.1724 같은 유니크한 심볼로 만들어 진다.(충돌 방지)

 

• Strong : 초기화된 전역변수
• Weak : 초기화되지 않은 전역변수, extern 으로 선언된 변수

만약 변수명이 같아 충돌이 일어난다면 Symbols Rules에 따라서 변수를 linking 한다

Rule1 : Strong 우선(가까이 있는 변수 우선 X), Strong 이 2개 이상이면 error

Rule2 : Weak만 여러개 있는 경우 : Weak 변수중 아무거나 사용(danger)

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Global 변수의 사용법

//c1.c
#include "global.h"

int f(){
    return g+1;
}

//global.h

#ifdef INITIALIZE
  int g = 23;
  static int init = 1;
#else
  extern int g;
  static int init = 0;
#endif

//c2.c

#define INITIALIZE
#include <stdio.h>
#include "global.h"

int g = 0;

int main(){
    if(init)
      // something
    int t = f();
    printf("Call f %d\n", t);
    return 0;
}

global symbol에 대해서 "global.h"를 사용해 깔끔하게 코딩하는 방법