---
title: 「你所不知道的 C 語言：連結器和執行檔資訊」 筆記
tags: Computer Science,System Software
description: 2019.08.05
---
「你所不知道的 C 語言：連結器和執行檔資訊」 筆記
===
###### 2019.08.05 *Copyright © 2019 by srhuang*


[影片](https://youtu.be/7Zraf5487YA)
[講義](http://hackfoldr.org/dykc/https%253A%252F%252Fhackmd.io%252Fs%252FSysiUkgUV)
Original by [jserv](http://wiki.csie.ncku.edu.tw/User/jserv)

---

## 簡介

* linker：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=34
* 可掛(卸)載模組：insmod / rmmod，kernel module 真正實作的地方也跟 linker 有關。
* loader 是如何演化成 linker (ld)。

## 嵌入一個二進位檔案到執行檔

* 前言：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=357
* 可以在沒有檔案系統的情況下，讀取檔案。
* secure boot
* 安裝程式 setup.exe
* 實作：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=609
* 寫個測試程式 (test.c)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=1063
* objcopy_to_carray：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=1648
* objcopy uses the GNU BFD Library to read and write the object files.
* readelf：This program performs a similar function to objdump but it goes into more detail and it exists independently of the BFD library, so if there is a bug in BFD then readelf will not be affected.

## init script 示範

* init hooks：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=2283
* 讓初始化流程可以集中在某個地方，卻又不想破壞程式結構。
* 使用 INIT_HOOK 巨集，就可以在核心啟動早期就執行。
* INIT_HOOK 巨集做的事情就是將函式名稱放到 “.init_hook” section。
* 利用 linker script 配置 “.init_hook” section 空間。

## 連結器在軟體最佳化扮演重要角色

* 前言：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=2948
* 手機裡面就有多個作業系統：Android, Trusty Tee (Trusty Kernel), Modem, secure enclave (apple).


* 雲端的應用：伺服器往往找不到效能瓶頸，但是可以動用連結器讓程式去最佳化程式。

* 複習「你所不知道的 C 語言」: 編譯器和最佳化原理篇：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=3638
* 編譯、組譯、連結三大步驟：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=3693
* IR：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=3893
* SSA (Static Single Assignment)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=3946
* IPO (Inter-Procedural Optimization)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=4025
* Compilation Unit
* 最簡單的 IPO 就是 function inlining，簡單來說就是把整個 function body copy 到 caller 的程式碼裡面。
* 為了減少 function call 的 cost for small function。
* Link Time Optimization (LTO) for Linux
* Linker 的命令列也是一種語言：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=4660
* Google gold linker：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=4743
* LLVM：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=5144

* Ian Wienand 的電子書: Chapter 7. The Toolchain：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=5256
* Symbol Visibility：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=5325
* 所有「不是 static」的 symbol 都可會開放給其他 compilation unit 去存取。
* interpositioning、static / extern
* The linking process：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=5526
* relocation。
* name mangling (C++)：c++filt 解析名字修飾。
* Example：hello 程式。
* collect2：負責傳遞參數給 ld 。
* The Executable。
* 10分鐘讀懂 linker scripts：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=6402
* 背景知識
* Sections
* Section Address
* 簡單範例：mini-arm-os
* Linker Script 初探 - GNU Linker ld 手冊略讀：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=6836
* 為什麼需要了解 Linker：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=6892
* 為了大型程式，例如網頁瀏覽器。
* WeChat OS
* libreoffice
* libxul mozilla：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=7170
* https://wiki.mozilla.org/XUL:Lib_XUL
* XPCOM : cross platform. 物件導向設計
* 裡面的引擎叫做「gecko」，包含 XPCOM, networking, DOM, layout, rendering….
* gecko 裡面最核心的部分就是「libxul」。
* It is a library that provides frozen API for XUL apps and embedders of gecko.
* 使用者體驗小故事：程式啟動影響使用者體驗相當關鍵。
* 程式啟動執行的早期，大部分都在載入動態連結，而非執行程式碼。
* Elfhack apply libxul startup：壓縮動態連結器的成本，Elfhack compress the relocations。
* Improving libxul startup I/O by hacking the ELF format：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=7792
* Optimizing large applications：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=8039
* 減少空間不一定會提升速度，因為要考慮動態連結的成本，CRT成本，函式呼叫的成本等。
* Firefox startup：6% 動態連結，15% relocation，46% 初始化，剩下才是程式碼執行。
* 要改善使用者體驗，就是必須從前面的 dynamic linker 著手。
* 「a.out」 shared libraries was hell to maintain。
* 「ELF」introduced shared libraries that are very flexible [1995]
* symbol interpositioning：LD_PRELOAD.
* symbol versioning. e.g. GNU glibc.
* symbol visibility.
* PIC (position-independent code) for 動態連結。GOT/PLT for 動態連結的基礎建設。
* qsort (is not quick sort)：take address of function or static variable in code.
* 載入 ELF 執行檔範例：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=8647
* GIMP startup
* Libreoffice startup
* prelink [2004]
* speeding up dynamic linker runtime. [2006]
* feedback directed reordering [2013]：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=9203
* valgrind
* GCC FDO (feedback directed optimization)：修改執行檔，插入可以在執行時期搜集資料的程式碼，再把這些資料重新編譯，是一種 build-run-build 的概念。
* Google AutoFDO：https://static.googleusercontent.com/media/research.google.com/zh-TW//pubs/archive/45290.pdf

* LTO (Link Time Optimization)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=9574
* 需要更多的 CPU and Memory 資源。
* 可以大幅提升速度。
* Linktime optimization in GCC (2014)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=9716
* part 1 - brief history
* part 2 - Firefox
* part 3 - LibreOffice
* [What makes LLD so fast?](https://fosdem.org/2019/schedule/event/llvm_lld/)：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=10154
* LLD is the LLVM linker.
* The missing link: explaining ELF static linking, semantically：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=10698
* formal proof
* 把 linker 的行為重新描述一次。

## 在 Linux 核心的應用案例

* Shrinking the kernel with link-time garbage collection：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=10940
* Shrinking the kernel with link-time optimization：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=11307
* Shrinking the kernel with an axe：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=11661

## 其他

* tramp-test：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=11778
* dt_infect：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=11998

## 總結：https://youtu.be/7Zraf5487YA?t=12078