C++：6.编译加载过程的进一步说明

程序编译的过程

首先，先让我们回顾下程序编译的基本过程。我们编写的代码，从编译到最终生成可执行程序，中间经历的几个过程分别为：预处理、编译、汇编、链接。

预处理，只做文本操作。如删除注释代码，引入头文件内容、替换宏定义、保留或删除#ifdefine代码、添加行号等。这一步得到的文件，还是原始代码，属于高级语言范围，能看懂。如果有语法错误，这里是不做检查的，交给下一步处理。

编译，对预处理的文本进一步检查。检查语法是否正确、变量类型是否正确、函数传参是否正确、代码格式是否正确等。这里是开发过程中报错最多的地方，也最容易定位。这一步生成的文件内容是汇编代码。

汇编，对编译的文本进一步处理。这个过程做的事情比较多，且是独立进行的。就是一个文件处理完后，再处理另外一个文件。所以，如果报错找不到动态库或引用，肯定不是这里造成的，是下一步链接阶段造成的。汇编过程，就是将编译产生的汇编代码，转为机器能识别的二进制指令。文件格式为*.o，又被称为目标文件。目标文件中包含各个段信息，如.text/.data/.bss/.rodata/.dynamic等。同时还会生成符号表、重定位表等。

链接，上一步中，汇编是对每个文件分别处理，互不干扰。而这一步，刚好反过来，它是将汇编生成的所有目标文件.o，合并成一个可执行的最终文件。这一过程中，会合并各个目标文件的段信息，然后解析符号，完成重定位表中函数地址的重定位，以及到指定目录下查找第三方动态库等。

报错发生的阶段

从上面几个过程来看，能发生报错的一定是编译和链接两个过程。而预处理和汇编，不会报错。知道了报错的时机和阶段，就更加容易排查和解决问题了。

如，报错变量类型不对，那肯定是编译阶段报的错。好排查，编译器很容易帮你定位具体代码。

又比如，报错"多重定义"。这个肯定是链接阶段的问题，顾名思义，就是某个符号（变量或函数等）在两份cpp文件都有了。删除一个或重命名一个即可解决。

又比如，报错"undefined reference to"。这个也是链接阶段的问题。没有找到xx的引用，通常是你调用了某个动态库的函数，但是没有指定动态库的路径。或者你指定的路径下，有两个名称一样的动态库，链接时候不知道用哪个了。

汇编过程进一步说明

上面也说了，汇编产生的二进制文件，会包含各种段信息和符合表信息。那如何查看这些信息呢？用如下命令。

1.查看段信息：

bash 复制代码

readelf -S Camera.o

下面就是查询的各种段信息。其中.rodata是只读常量段，.text是代码段，.data是初始化的静态全局区，.bss是未初始化的静态全局区。

有时候结果太多，无法查看，还可以查看指定的段信息，如查看代码段

bash 复制代码

readelf -S Camera.o | grep .text

这里汇总下目标文件中常见的几种段信息。

|-----------|----------------------|
| 段 | 含义 |
| .text | 代码段 |
| .data | 已初始化的静态区/全局区 |
| .bss | 未初始化的静态区/全局区 |
| .rodata | 只读数据段，存储字符串，const常量等 |
| .symtab | 符号表 |
| .debug | 调试信息 |
| .rel.text | 代码重定位表，链接时候补齐具体地址 |
| .rel.data | 数据重定位表，链接时候补齐具体地址 |

2.查看符号表：

查看符号表命令：

bash 复制代码

nm Camera.o -C

结果为

上图中，u表示未定义符号。就是当前文件中使用了其他文件中的变量、函数。但是在汇编阶段，无真实地址，只是先记录下来，等到链接时候再填上具体地址。上图可以看出，调用配置文件和工具类方法，都是外部文件代码，不是本文件代码，所以这里都显示u。

链接过程进一步说明

1.ELF格式说明

目标文件.o和可执行文件，以及动态库so，都是ELF格式文件。ELF的含义，就是"可执行与可链接格式"。其中目标文件.o和可执行文件区别是，目标文件.o是独立的，不同cpp文件编译汇编后，都会生成一个独立的.o文件。虽然a.cpp调用了b.cpp中的某个函数，但在汇编阶段他们是互不影响的。另外，.o文件是不可执行的。

而可执行文件，是所有目标文件的汇总，把所有.o文件中的信息都打包进同一个文件中。最终这个文件是可执行的。

ELF文件包含很多信息，查看并理解这些内容，对我们理解整个编译过程很有帮助。不过由于其里面是二进制内容，不能直接打开查看。所以要借助相关命令查看。后面会有具体命令说明。

2.编译链接器

链接阶段使用的工具，叫编译链接器，即/usr/bin/ld，它负责在编译期，把目标文件、动态库拼装成最终可执行文件。比如，当链接报错时候，前面显示的就是编译链接器名称。

3.合并段信息

是指，合并各个目标文件的代码段 (.text)、数据段 (.data/.bss)等，都给它放到可执行文件中去，统一布局内存地址。

4.符号解析和重定位

修正代码里的地址占位符，把外部函数调用、全局变量访问地址改成真实内存偏移地址。

5.动态库链接

链接阶段ld会读取各个动态库so的soname，把DT_NEEDED写入你的可执行文件 ELF中。这样后面运行程序时候，根据soname，就能找到对应的动态库，完成调用。

那什么是soname呢？soname全称是，Shared Object Name，即共享对象名称。它有什么作用呢。

现在假设有这样一个场景。我正在调用一个第三方的sdk，其中有个动态库叫libmv.so.1.1.0。由于对方不停的更新版本，已经从libmv.so.1.1.0更新到了libmv.so.1.1.10了。每次更新后，我都要重新编译代码，非常麻烦，尽管我的代码并没有改动。那有没有一种方式，可以解决这个问题呢，有，就是使用soname。

libmv.so.1.1.10是物理文件名称，是可变的。而soname，是内嵌在动态库中的标识，像身份证一样。只要soname不变，动态库名称无论变为多少，都能准确找到。无需重新编译代码。

6.查看soname

我们可以使用patchelf查看soname，如：

bash 复制代码

patchelf --print-soname libdvp.so

上面可以发现，即使将动态库重新命名了，其携带的soname是不变的。而我们在makefile中，指定的动态库名称，其实就是这个soname，而不是文件名称。这一点很重要。

7.修改soname

如果有两个动态库soname名称一样，链接阶段大概率会报错。因为它不知道该链接哪一个。这时候我们就可以通过修改其中一个的soname来解决这个问题。

修改命令为：

bash 复制代码

patchelf --set-soname libDH_MVSDK.so libDH_MVSDK.so.2.6.0.1.412542

8.查看动态库依赖

除了使用patchelf查看soname外，我们还可以使用它来查看动态库依赖哪些额外的库。如：

bash 复制代码

patchelf --print-needed  libdvp.so

同样的，ldd和readelf命令也提供了类似的查看功能。

ldd可以查看动态库或可执行文件，命令为：

bash 复制代码

ldd libdvp.so

而readelf命令查看的信息更为全面，不仅包含soname和依赖库，还包含库路径等等其他信息。

bash 复制代码

readelf -d libdvp.so

运行程序

1.ld-linux

ld-linux是程序运行的一个很关键的动态库。注意，它是一个库，全称为ld-linux-x86-64.so.2，叫动态链接器。和上面链接过程中的编译链接器是不一样的。一个编译期间使用，一个运行期间使用。

ld-linux主要作用是：程序运行时，由内核先启动它。它负责加载所有依赖的 .so 共享库、解析符号、完成运行时重定位，最后把控制权交给主程序的 _start 入口。每个可执行文件头部都会包含ld-linux的具体路径，可使用如下命令查看。

bash 复制代码

patchelf --print-interpreter main

常用命令汇总

现在对上面使用到的命令，统一汇总罗列下：

1.nm命令

bash 复制代码

#查看符号表 -C是查看原始名称
nm Camera.o -C

#查看动态库导出符号（是否有可用的API）
nm -D libdvp.so | grep OpenDevice

2.patchelf命令

bash 复制代码

#查看动态库内部的soname
patchelf --print-soname libdvp.so

#修改soname
patchelf --set-soname libDH_MVSDK.so libDH_MVSDK.so.2.6.0.1.412542

#查看动态库的依赖
patchelf --print-needed  libdvp.so

#查看可执行程序的动态链接器
patchelf --print-interpreter main

3.readelf命令

bash 复制代码

#查看所有段信息(Section)
readelf -S libdvp.so

#查看动态段信息（SONAME、依赖库、rpath等）
readelf -d libdvp.so

#查看ELF头部基本信息
readelf -h libdvp.so

4.ldd命令

bash 复制代码

#查看可执行程序或动态库依赖
ldd libdvp.so