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鸿蒙内核源码分析(静态链接篇) | 完整小项目看透静态链接过程 | 百篇博客分析HarmonyOS源码 | v54.01

2021-05-15 539

将 HarmonyOS | 鸿蒙 研究到底 < 国内 | 国外 >

在这里插入图片描述

百篇博客系列篇.本篇为:

下图是一个可执行文件编译,链接的过程.

kernel_liteos_a_note

本篇将通过一个完整的小工程来阐述ELF编译,链接过程,并分析.o和bin文件中各区,符号表之间的关系.从一个崭新的视角去看中间过程,阅读之前建议先看

准备工作

先得有个小工程,麻雀虽小,但五脏俱全,标准的文件夹和Makefile结构,如下:

目录结构

    |-bin         可执行文件
        |- weharmony 
    |-include     头文件
        |- part.h   
    |-obj         目标文件
        |- main.o 
        |- part.o           
    |-src         源文件
        |- main.c 
        |- part.c     
    Makefile

看到 .c .h .o 就感觉特别的亲切 : ),项目很简单,但具有代表性,有全局变量/函数,extern,多文件链接,和动态链接库的printf,用cat命令看看三个文件内容.

cat .c .h

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# cat ./src/main.c 
#include <stdio.h>
#include "part.h"
extern int g_int;
extern char *g_str;

int main() {
        int loc_int = 53;
        char *loc_str = "harmony os";
        printf("main 开始 - 全局 g_int = %d, 全局 g_str = %s.\n", g_int, g_str);
        func_int(loc_int);
        func_str(loc_str);
        printf("main 结束 - 全局 g_int = %d, 全局 g_str = %s.\n", g_int, g_str);
        return 0;
}

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# cat ./src/part.c 
#include <stdio.h>
#include "part.h"

int g_int = 51;
char *g_str = "hello world";

void func_int(int i) {
	int tmp = i;
	g_int = 2 * tmp ;
	printf("func_int g_int = %d,tmp = %d.\n", g_int,tmp);
}
void func_str(char *str) {
        g_str = str;
        printf("func_str g_str = %s.\n", g_str);
}

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# cat ./include/part.h 
#ifndef _PART_H_
#define _PART_H_
void func_int(int i);
void func_str(char *str);
#endif

cat Makefile

Makefile采用标准写法,关于makefile系列篇会在编译过程篇中详细说明,此处先看点简单的.

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# cat Makefile 
DIR_INC = ./include
DIR_SRC = ./src
DIR_OBJ = ./obj
DIR_BIN = ./bin

SRC = $(wildcard ${DIR_SRC}/*.c)
OBJ = $(patsubst %.c,${DIR_OBJ}/%.o,$(notdir ${SRC}))

TARGET = weharmony

BIN_TARGET = ${DIR_BIN}/${TARGET}

CC = gcc
CFLAGS = -g -Wall -I${DIR_INC}

${BIN_TARGET}:${OBJ}
        $(CC) $(OBJ)  -o $@

${DIR_OBJ}/%.o:${DIR_SRC}/%.c
        $(CC) $(CFLAGS) -c  $< -o $@
.PHONY:clean
clean:
        find ${DIR_OBJ} -name *.o -exec rm -rf {}

编译.链接.运行.看结果

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# make
gcc -g -Wall -I./include -c  src/part.c -o obj/part.o
gcc -g -Wall -I./include -c  src/main.c -o obj/main.o
gcc ./obj/part.o ./obj/main.o  -o bin/weharmony
root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# ./bin/weharmony 
main 开始 - 全局 g_int = 51, 全局 g_str = hello world.
func_int g_int = 106,tmp = 53.
func_str g_str = harmony os.
main 结束 - 全局 g_int = 106, 全局 g_str = harmony os.

结果很简单,没什么好说的.

开始分析

准备工作完成,开始了真正的分析. 因为命令输出内容太多,本篇做了精简,去除了干扰项.对这些命令还不行清楚的请翻看系列篇其他文章,此处不做介绍,阅读本篇需要一定的基础.

readelf 大S小s ./obj/main.o

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -S ./obj/main.o
There are 22 section headers, starting at offset 0x1498:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       000000000000007b  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .rela.text        RELA             0000000000000000  00000c80
       0000000000000108  0000000000000018   I      19     1     8
  [ 3] .data             PROGBITS         0000000000000000  000000bb
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 4] .bss              NOBITS           0000000000000000  000000bb
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 5] .rodata           PROGBITS         0000000000000000  000000c0
       000000000000007d  0000000000000000   A       0     0     8
       ......
root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -s ./obj/main.o

Symbol table '.symtab' contains 22 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name  
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND       
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS main.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1
        ...      
    15: 0000000000000000   123 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 main  
    16: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND g_str 
    17: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND g_int 
    18: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
    19: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf
    20: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND func_int
    21: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND func_str

解读 编译 main.c 后 main.o 告诉了链接器以下信息

  • 有一个文件 叫 main.c (Type=FILE)
  • 文件中有个函数叫 main (Type=FUNC),并且这是一个全局函数,(Bind = GLOBAL , Vis = DEFAULT,全局的意思就是可以被外部文件所引用.
  • 剩下的g_str,printf,func_int,....,都是需要外部提供,并未在本文件中定义的符号 (Ndx = UND , Type = NOTYPE),至于怎么顺藤摸瓜找到这些符号那我不管,.o文件是独立存在,它只是告诉你我用了哪些东西,但我也不知道在哪里.
  • printf和func_int对它来说一视同仁,都是外部链接符号,没有特殊对待.

readelf 大S小s ./obj/part.o

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -S ./obj/part.o
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000078  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .rela.text        RELA             0000000000000000  00000cf0
       00000000000000c0  0000000000000018   I      21     1     8
  [ 3] .data             PROGBITS         0000000000000000  000000b8
       0000000000000004  0000000000000000  WA       0     0     4
  [ 4] .bss              NOBITS           0000000000000000  000000bc
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 5] .rodata           PROGBITS         0000000000000000  000000c0
       0000000000000045  0000000000000000   A       0     0     8
  [ 6] .data.rel.local   PROGBITS         0000000000000000  00000108
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     8
       ......
root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -s ./obj/part.o

Symbol table '.symtab' contains 22 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS part.c
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1
        ...
    16: 0000000000000000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    3 g_int
    17: 0000000000000000     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    6 g_str
    18: 0000000000000000    52 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 func_int
    19: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
    20: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf
    21: 0000000000000034    57 FUNC    GLOBAL DEFAULT    1 func_str

解读 编译 part.c 后part.o告诉了链接器以下信息

  • 有一个文件 叫 part.c (Type=FILE)
  • 文件中有两个函数叫 func_int,func_str (Type=FUNC),并且都是全局函数,(Bind = GLOBAL , Vis = DEFAULT,全局的意思就是可以被外部文件所引用.
  • 文件中有两个对象叫 g_int,g_str (Type=OBJECT),并且都是全局对象,同样可以被外部使用.
  • 剩下的printf,_GLOBAL_OFFSET_TABLE_,都是需要外部提供,并未在本文件中定义的符号 (Ndx = UND , Type = NOTYPE)
  • 另外 part.c的局部变量tmp并没有出现在符号表中.因为符号表相当于外交部,只有对外的内容.
  • func_int,func_str在1区代码区.text.
  • g_int 在3区.data数据区, 打开3区,发现了 0x33 就是源码中 int g_int = 51;的值 
      root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -x 3 ./obj/part.o
  Hex dump of section '.data':
  0x00000000 33000000                            3...
  • g_str 在6区,.data.rel.local数据区,打开6区看结果 
      root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -x 6 ./obj/part.o
  Hex dump of section '.data.rel.local':
  NOTE: This section has relocations against it, but these have NOT been applied to this dump.
  0x00000000 00000000 00000000                   ........
    并未发现 char *g_str = "hello world";的身影,反而抛下一句话 NOTE: This section has relocations against it, but these have NOT been applied to this dump.翻译过来是 注意：此部分已针对它进行重定位，但是尚未将其应用于此转储. 最后在5区 '.rodata'找到了 hello world 
    root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -x 5 ./obj/part.o
  Hex dump of section '.rodata':
  0x00000000 68656c6c 6f20776f 726c6400 00000000 hello world.....
  0x00000010 66756e63 5f696e74 20675f69 6e74203d func_int g_int =
  0x00000020 2025642c 746d7020 3d202564 2e0a0066  %d,tmp = %d...f
  0x00000030 756e635f 73747220 675f7374 72203d20 unc_str g_str =
  0x00000040 25732e0a 00                         %s..
    至于重定向是如何实现的,在系列篇 重定向篇中已有详细说明,不再此展开说.
  • 看完两个符号表总结下来就是三句话
    • 我是谁,我在哪
    • 我能提供什么给别人用
    • 我需要别人提供什么给我用.

readelf 大S小s ./bin/weharmony

weharmony是将 main.o,part.o和库文件链接完成后的可执行文件.

root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -S ./bin/weharmony
There are 36 section headers, starting at offset 0x4908:

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
       ......
  [16] .text             PROGBITS         0000000000001060  00001060
       0000000000000255  0000000000000000  AX       0     0     16
  [17] .fini             PROGBITS         00000000000012b8  000012b8
       000000000000000d  0000000000000000  AX       0     0     4
  [18] .rodata           PROGBITS         0000000000002000  00002000
       00000000000000cd  0000000000000000   A       0     0     8       
       ......
  [25] .data             PROGBITS         0000000000004000  00003000
       0000000000000020  0000000000000000  WA       0     0     8
  [26] .bss              NOBITS           0000000000004020  00003020
       0000000000000008  0000000000000000  WA       0     0     1       
root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -s ./bin/weharmony 

Symbol table '.dynsym' contains 7 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND
     1: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_deregisterTMCloneTab        
     2: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND printf@GLIBC_2.2.5 (2)
     3: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@GLIBC_2.2.5 (2)
     4: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__
     5: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_registerTMCloneTable        
     6: 0000000000000000     0 FUNC    WEAK   DEFAULT  UND __cxa_finalize@GLIBC_2.2.5 (2)   

Symbol table '.symtab' contains 75 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND
     1: 0000000000000318     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1
     2: 0000000000000338     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    2
     3: 0000000000000358     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    3
     ....
    33: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS crtstuff.c
    34: 0000000000001090     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   16 deregister_tm_clones
    35: 00000000000010c0     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   16 register_tm_clones
    36: 0000000000001100     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   16 __do_global_dtors_aux
    37: 0000000000004020     1 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   26 completed.8060
    38: 0000000000003dc0     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   22 __do_global_dtors_aux_fin
    39: 0000000000001140     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   16 frame_dummy
    40: 0000000000003db8     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   21 __frame_dummy_init_array_
    41: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS part.c
    42: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS main.c
    43: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS crtstuff.c
    44: 000000000000225c     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   20 __FRAME_END__
    45: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS
    46: 0000000000003dc0     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   21 __init_array_end
    47: 0000000000003dc8     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   23 _DYNAMIC
    48: 0000000000003db8     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   21 __init_array_start
    49: 00000000000020c0     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT   19 __GNU_EH_FRAME_HDR
    50: 0000000000003fb8     0 OBJECT  LOCAL  DEFAULT   24 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
    51: 0000000000001000     0 FUNC    LOCAL  DEFAULT   12 _init
    52: 00000000000012b0     5 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 __libc_csu_fini
    53: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_deregisterTMCloneTab
    54: 0000000000004000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT   25 data_start
    55: 0000000000004020     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   25 _edata
    56: 00000000000012b8     0 FUNC    GLOBAL HIDDEN    17 _fini
    57: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND printf@@GLIBC_2.2.5
    58: 0000000000004010     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   25 g_int
    59: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@@GLIBC_
    60: 0000000000004000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   25 __data_start
    61: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__
    62: 0000000000004008     0 OBJECT  GLOBAL HIDDEN    25 __dso_handle
    63: 0000000000004018     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   25 g_str
    64: 0000000000002000     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   18 _IO_stdin_used
    65: 0000000000001240   101 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 __libc_csu_init
    66: 0000000000001149    52 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 func_int
    67: 0000000000004028     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   26 _end
    68: 0000000000001060    47 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 _start
    69: 000000000000117d    57 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 func_str
    70: 0000000000004020     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT   26 __bss_start
    71: 00000000000011b6   123 FUNC    GLOBAL DEFAULT   16 main
    72: 0000000000004020     0 OBJECT  GLOBAL HIDDEN    25 __TMC_END__
    73: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_registerTMCloneTable
    74: 0000000000000000     0 FUNC    WEAK   DEFAULT  UND __cxa_finalize@@GLIBC_2.2

解读 链接后的可执行文件 weharmony将告诉加载器以下信息

  • 涉及文件有哪些 Type = FILE
  • 涉及函数有哪些 Type = FUNC func_str,func_int,_start,main
  • 涉及对象有哪些 Type = OBJECT g_int,g_str,....它将这些数据统一归到了25区. 前往25区查看下数据,同样只发现了 int g_int = 51; 的数据. 
    root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -x 25 ./bin/weharmony 
  Hex dump of section '.data':
  0x00004000 00000000 00000000 08400000 00000000 .........@......
  0x00004010 33000000 00000000 08200000 00000000 3........ ......
    是不是和part.o一样也被放在了.rodata区,再反查 18区,果然发了 main.c和part.c的数据都放在了这里. 
    root@5e3abe332c5a:/home/docker/test4harmony/54# readelf -x 18 ./bin/weharmony
  Hex dump of section '.rodata':
  0x00002000 01000200 00000000 68656c6c 6f20776f ........hello wo
  0x00002010 726c6400 00000000 66756e63 5f696e74 rld.....func_int
  0x00002020 20675f69 6e74203d 2025642c 746d7020  g_int = %d,tmp 
  0x00002030 3d202564 2e0a0066 756e635f 73747220 = %d...func_str 
  0x00002040 675f7374 72203d20 25732e0a 00000000 g_str = %s......
  0x00002050 6861726d 6f6e7920 6f730000 00000000 harmony os......
  0x00002060 6d61696e 20e5bc80 e5a78b20 2d20e585 main ...... - ..
  0x00002070 a8e5b180 20675f69 6e74203d 2025642c .... g_int = %d,
  0x00002080 20e585a8 e5b18020 675f7374 72203d20  ...... g_str = 
  0x00002090 25732e0a 00000000 6d61696e 20e7bb93 %s......main ...
  0x000020a0 e69d9f20 2d20e585 a8e5b180 20675f69 ... - ...... g_i
  0x000020b0 6e74203d 2025642c 20e585a8 e5b18020 nt = %d, ...... 
  0x000020c0 675f7374 72203d20 25732e0a 00       g_str = %s...
  • 另外还有注意printf的变化,从Type = NOTYPE 变成了Type = FUNC,告诉了后续的动态链接这是个函数 
        57: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND printf@@GLIBC_2.2.5
    但是内容依然是Ndx=UND,weharmony也提供不了,内容需要运行时环境提供.并在需要动态链接表中也已经注明了内容清单,运行环境必须提供以下内容才能真正跑起来weharmony. 
    Symbol table '.dynsym' contains 7 entries:
 Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
   0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND
   1: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_deregisterTMCloneTab        
   2: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND printf@GLIBC_2.2.5 (2)
   3: 0000000000000000     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT  UND __libc_start_main@GLIBC_2.2.5 (2)
   4: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__
   5: 0000000000000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND _ITM_registerTMCloneTable        
   6: 0000000000000000     0 FUNC    WEAK   DEFAULT  UND __cxa_finalize@GLIBC_2.2.5 (2)
    本例在windows环境中一般是跑不起来的.除非提供对应的运行时环境.

百篇博客.往期回顾

在加注过程中,整理出以下文章.内容立足源码,常以生活场景打比方尽可能多的将内核知识点置入某种场景,具有画面感,容易理解记忆.说别人能听得懂的话很重要! 百篇博客绝不是百度教条式的在说一堆诘屈聱牙的概念,那没什么意思.更希望让内核变得栩栩如生,倍感亲切.确实有难度,自不量力,但已经出发,回头已是不可能的了.:P 与代码有bug需不断debug一样,文章和注解内容会存在不少错漏之处,但会反复修正,持续更新,.xx代表修改的次数,精雕细琢,言简意赅,力求打造精品内容.

关于 51 .c .h .o

看系列篇文章会常看到 51 .c .h .o,希望这对大家阅读不会造成影响. 分别对应以下四个站点的首个字符,感谢这些站点一直以来对系列篇的支持和推荐,尤其是 oschina gitee ,很喜欢它的界面风格,简洁大方,让人感觉到开源的伟大!

而巧合的是.c .h .o是C语言的头/源/目标文件,这就很有意思了,冥冥之中似有天数,将这四个宝贝以这种方式融合在一起. 51 .c .h .o , 我要CHO ,嗯嗯,hin 顺口 : )

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2021-05-14
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2021-05-15
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