Go：对象文件&重定位

本文章基于 Go 1.14

重定位是链接过程中的一个阶段，重定位是链接过程中为每个外部符号分配适当地址。由于每个包都是单独编译的，因此它们不知道来自其它包的函数或者变量在哪里。 让我们从一个需要重定位的简单示例开始。

编译

以下程序涉及两个不同的程序包：main 和 fmt。

构建此程序将首先涉及编译器，该编译器分别编译每个包。

通过命令

go tool compile -S -l main.go

我们可以查看指令在中间文件(译者注:目标文件)中的临时地址。

一旦我们的程序被编译，我们可以使用

go tool compile -S -l main.go

来查看程序对应的汇编代码

要查看编译器生成的指令，你有多种不同的方法:

• 重新编译，并打印汇编指令。命令是：

go tool compile -S -l main.go

"".main STEXT size=137 args=0x0 locals=0x58
   0x0000 00000 (main.go:7)    TEXT   "".main(SB)
   [...]
   0x0058 00088 (main.go:8)    CALL   fmt.Println(SB)

参数 -l 用于避免内联，使得汇编代码更容易被阅读。

生成的汇编文件表明调用 Println 的指令相对 main 函数入口偏移 88 个字节。这个偏移对于链接器重新定位函数调用将会非常有用。

• 使用以下命令，反汇编已经生成的 main.o：

go tool objdump main.o

TEXT %22%22.main(SB)
  [...]
  main.go:8       0x57e        e800000000    CALL 0x583    [1:5]R_CALL:fmt.Println

标识符 R_CALL 代表重定位调用

然而由于该函数属于另一个包，因此编译器不知道该函数实际位于何处。使用命令：

go tool nm main.o

可以检查生成的文件 main.o，并列出其中包含的符号。下图是输出

我们可以注意到，它需要使用 go 工具 nm 命令而不是本机 nm 命令。 实际上，Go 生成的目标文件（.o）具有自定义格式。

符号 U 代表未定义，表示编译器不知道该符号在哪里。该符号必须重定位，即找到 Println 的地址，才能成功的进行调用。这就是链接器需要参与的工作。在介绍链接器的工作之前，我们分析了目标文件 main.o, 以及它能够提供所有可用数据。链接器可以基于这些数据开展工作。

目标文件

这篇文档解释了目标文件的内容和格式

该文件由依赖项，调试信息(DWARF), 索引符号列表，数据段以及符号列表。符号列表中包含每个符号都需要我们进行重定向。以下是它的格式：

每个符号均以十六进制字节 fe 开头。可以使用十六进制编辑器打开目标文件 main.o 时。例如，对于 Mac，可以使用 xxd(译者注:xxd 是 mac 下的一个命令)。 下面是内容的一部分，对符号(译者注:实际是对符号开头的标志"fe")进行了高亮显示。

符号 main.main 是符号列表中的第一个符号。

前几个字节 0102 00dc 0100 dc01 0a 代表了前面定义的一系列属性：type、flag、size、data、以及重定位的次数。

字节以 zigzag-varint 格式存储。varint 是以可变长字节的方式存储整数的值。 zigzag 通过对最少有效位进行编码来是以减少编码后数据的大小

然后，重定位 Println 是一组字节序列 b201 0810 0008:

• b201 是偏移值 89 编码后的结果。这个偏移值是一个 int32 类型。感谢 varint，存储它仅耗费了 2 个字节.
• 08 是需要重写的字节的数量，编码后的值是 4
• 10 是重定位的类型，编码值 8 表示 R_CALL, 即重定位函数调用
• 08 是对索引符号的引用

装载器现在已经拥有了重定位所需的所有必要信息，可以生成可执行的二进制文件了。

重定位

链接器的其中一个阶段是分配虚地址给所有的段和指令。可以使用命令

objdump -h my-binary

可视化每个段的地址。下面是前面示例的输出

函数 main 位于__text 段，它也能通过命令

objdump -d my-binary

找到，这个命令显示了指令的地址。

函数 main 入口地址是 109cfa0，函数 fmt.Println 的入口地址是 1096a00。一旦虚地址被分配，就会非常容易的重定位 fmt.Println 的入口地址。链接器将会用 fmt.Println 的入口地址依次减去 main 的入口地址、指令的偏移值、指令所占的字节大小。这样我们就能得到调用 fmt.Println 的全局偏移。对于前面的例子中，我们可以进行如下的操作：

1096a00 (fmt.Println) — 109cfa0 (main) — 84 (offset inside the main function) — 4 (size) = -26109

现在，指令知道函数 fmt.Println 的入口地址与当前内存地址的偏移是 -26109，调用可以成功执行。