关于golang:Golang内部构件第3部分链接器目标文件和重定位

在此博客文章中，咱们将介绍Go链接器，Go对象文件和重定位。咱们为什么要关怀这些事件？好吧，如果您想学习任何大型项目的外部常识，则须要做的第一件事就是将其拆分为组件或模块。其次，您须要理解这些模块互相提供的接口。在Go中，这些高级模块是编译器，链接器和运行时。编译器提供并链接器应用的接口是一个指标文件，明天咱们将在这里进行钻研。

生成Go对象文件

让咱们做一个理论的试验-编写一个超级简略的程序，对其进行编译，而后查看将生成哪个指标文件。在咱们的例子中，程序如下

package mainfunc main() {    print(1)}

当初咱们须要对其进行编译

go tool compile -N -l -S ./main.go > main.s

该命令产生test.6指标文件。为了钻研其内部结构，咱们将应用goobj库。它在Go源代码外部应用，次要用于实现一组单元测试，以验证在不同状况下是否正确生成了指标文件。对于此博文，咱们编写了一个非常简单的程序，该程序将从googj库生成的输入打印到控制台。您能够在此GitHub存储库中查看该程序的源代码。

首先，您须要下载并装置该程序。

go get github.com/s-matyukevich/goobj_explorer

而后，执行以下命令。

goobj_explorer -o test.6

当初，您应该可能goob.Package在控制台中看到该构造。

考察指标文件

指标文件中最乏味的局部是Syms数组。这实际上是一个符号表。您在程序中定义的所有内容（函数，全局变量，类型，常量等）均写入此表。让咱们看一下与该main函数绝对应的条目。（请留神，咱们当初曾经从输入中剪切了Reloc和Func字段。稍后咱们将探讨它们。）

&goobj.Sym{            SymID: goobj.SymID{Name:"main.main", Version:0},            Kind:  1,            DupOK: false,            Size:  48,            Type:  goobj.SymID{},            Data:  goobj.Data{Offset:137, Size:44},            Reloc: ...,            Func:  ...,}

goobj.Sum构造中字段的名称十分不言自明。
The names of the fields in the goobj.Sum structure are pretty self-explanatory.

Field	Description
SumID	由符号名称和版本组成的惟一符号ID。版本有助于辨别名称雷同的符号。
Kind	批示符号属于哪种类型（稍后会有更多详细信息）。
DupOK	DupOK
Size	符号数据的大小。
Type	对示意一个符号类型（如果有）的另一个符号的援用。
Data	蕴含二进制数据。对于不同品种的符号，此字段具备不同的含意，例如，性能的汇编代码，字符串符号的原始字符串内容等。
Reloc	重定位列表（稍后将提供更多详细信息）。
Func	蕴含性能符号的非凡性能元数据（请参见上面的更多详细信息）。

当初，让咱们看一下不同品种的符号。所有可能的符号类型都在goobj包中定义为常量（您能够在GitHub存储库中找到它们）。上面，咱们复制了这些常量的第一局部。

const (    _ SymKind = iota    // readonly, executable    STEXT    SELFRXSECT    // readonly, non-executable    STYPE    SSTRING    SGOSTRING    SGOFUNC    SRODATA    SFUNCTAB    STYPELINK    SSYMTAB // TODO: move to unmapped section    SPCLNTAB    SELFROSECT    ...

如咱们所见，该main.main符号属于与STEXT常量绝对应的品种1 。STEXT是蕴含可执行代码的符号。当初，让咱们看一下Reloc数组。它由以下构造组成。

type Reloc struct {    Offset int    Size   int    Sym    SymID    Add    int    Type int}

每次重定位都意味着[Offset, Offset+Size]应将位于该距离的字节替换为指定的地址。该地址是通过将Sym符号的地位与Add字节数相加得出的。

理解relocations

go tool compile -N -l -S ./main.go > main.s

让咱们浏览一下汇编器并尝试找到次要性能。

"".main t=1 size=48 value=0 args=0x0 locals=0x8    0x0000 00000 (test.go:3)    TEXT    "".main+0(SB),$8-0    0x0000 00000 (test.go:3)    MOVQ    (TLS),CX    0x0009 00009 (test.go:3)    CMPQ    SP,16(CX)    0x000d 00013 (test.go:3)    JHI    ,22    0x000f 00015 (test.go:3)    CALL    ,runtime.morestack_noctxt(SB)    0x0014 00020 (test.go:3)    JMP    ,0    0x0016 00022 (test.go:3)    SUBQ    $8,SP    0x001a 00026 (test.go:3)    FUNCDATA    $0,gclocals·3280bececceccd33cb74587feedb1f9f+0(SB)    0x001a 00026 (test.go:3)    FUNCDATA    $1,gclocals·3280bececceccd33cb74587feedb1f9f+0(SB)    0x001a 00026 (test.go:4)    MOVQ    $1,(SP)    0x0022 00034 (test.go:4)    PCDATA    $0,$0    0x0022 00034 (test.go:4)    CALL    ,runtime.printint(SB)    0x0027 00039 (test.go:5)    ADDQ    $8,SP    0x002b 00043 (test.go:5)    RET    ,

在当前的博客文章中，咱们将认真钻研此代码，并尝试理解Go运行时的工作形式。目前，咱们对以下行感兴趣。

0x0022 00034（test.go：4）CALL，runtime.printint（SB）

该命令在性能数据中的偏移量为0x0022（十六进制）或00034（十进制）。该行实际上负责调用该runtime.printint函数。问题是编译器在编译过程中不晓得runtime.printint函数的确切地址。此函数位于编译器不晓得的其余指标文件中。在这种状况下，它将应用重定位。以下是与此办法调用绝对应的确切重定位（咱们从goobj_explorer实用程序的第一个输入中复制了它）。

{        Offset: 35,        Size:   4,        Sym:    goobj.SymID{Name:"runtime.printint", Version:0},        Add:    0,        Type:   3,},

此重定位通知链接器，从35个字节的偏移量开始，它须要用runtime.printint符号起始点的地址替换4个字节的数据。然而，与主函数数据的偏移量为35个字节实际上是咱们先前所见的调用指令的参数。（该指令从一个34字节的偏移量开始。一个字节对应于调用指令代码，而四个字节则指向该指令的地址。）

链接器如何操作

当初咱们理解了这一点，咱们能够弄清楚链接器是如何工作的。以下架构十分简化，但反映了次要思维。

链接器从主程序包援用的所有程序包中收集所有符号，并将它们加载到一个大字节数组（或二进制映像）中。
对于每个符号，链接器都会在此图像中计算一个地址。
而后，它利用为每个符号定义的重定位。当初很容易，因为链接器晓得从那些重定位援用的所有其余符号的确切地址。
链接器为Linux上的可执行和可链接（ELF）格局或Windows上的可移植可执行（PE）格局筹备所有必须的标头。而后，它生成一个带有后果的可执行文件。

理解TLS

仔细的读者会留神到goobj_explorer utility main办法的输入中产生了奇怪的重定位。它不对应于任何办法调用，甚至指向空符号。

{        Offset: 5,        Size:   4,        Sym:    goobj.SymID{},        Add:    0,        Type:   9,}

那么，这次搬迁有什么用呢？咱们能够看到它的偏移量为5个字节，其大小为4个字节。在此偏移量处，有一个命令。

0x0000 00000（test.go：3）MOVQ（TLS），CX

它从偏移量0开始并占用9个字节（因为下一个命令从偏移量9个字节开始）。咱们能够猜想，此重定位将奇怪的(TLS)语句替换为某个地址，然而TLS是什么，它应用什么地址？

TLS是“线程本地存储”的缩写。这项技术已在许多编程语言中应用。简而言之，它使咱们可能领有一个变量，该变量在由不同线程应用时指向不同的内存地位。

在Go中，TLS用于存储指向G构造的指针，该G构造蕴含特定Go例程的外部详细信息（无关更多详细信息，请参见前面的博客文章）。因而，有一个变量（当从不同的Go例程拜访时）始终指向具备此Go例程的外部详细信息的构造。链接器晓得此变量的地位，而该变量正是上一条命令中移至CX寄存器的内容。TLS能够针对不同的体系结构以不同的形式实现。对于AMD64，TLS是通过FS寄存器实现的，因而咱们之前的命令被转换为MOVQ FS和CX。

为了完结对重定位的探讨，咱们将向您展现蕴含所有不同类型的重定位的枚举类型（enum）。

// Reloc.typeenum{    R_ADDR = 1,    R_SIZE,    R_CALL, // relocation for direct PC-relative call    R_CALLARM, // relocation for ARM direct call    R_CALLIND, // marker for indirect call (no actual relocating necessary)    R_CONST,    R_PCREL,    R_TLS,    R_TLS_LE, // TLS local exec offset from TLS segment register    R_TLS_IE, // TLS initial exec offset from TLS base pointer    R_GOTOFF,    R_PLT0,    R_PLT1,    R_PLT2,    R_USEFIELD,};

从该枚举中能够看出，重定位类型3为R_CALL，重定位类型9为R_TLS。这些enum名称完满地解释了咱们后面探讨的行为。

在下一篇文章中，咱们将持续探讨指标文件。咱们还将为您提供更多必要的信息，以使您继续前进并理解Go运行时的工作形式。如果您有任何疑难，请随时在评论中发问。