【Linux指南】动静态库系列（六）：编译、链接与 ELF：.o、.so、可执行文件到底是什么

文章目录

• • 一、先回顾编译和链接
  • 二、.o 文件是什么
  • 三、ELF 是什么
  • 四、ELF 的几种常见类型
  • • 1. 可重定位文件 Relocatable File
    • 2. 可执行文件 Executable File
    • 3. 共享目标文件 Shared Object File
    • 4. Core dump
  • 五、ELF 文件整体由哪些部分组成
  • • 1. ELF Header
    • 2. Section Header Table
    • 3. Program Header Table
    • 4. Sections
  • 六、常见 section 解释
  • • 1. .text
    • 2. .data
    • 3. .bss
    • 4. .symtab
    • 5. .got 和 .plt
  • 七、链接视图和执行视图
  • • 1. 链接视图
    • 2. 执行视图
  • 八、为什么 section 要合并成 segment
  • 九、动静态库与 ELF 的关系
  • • 1. 静态库
    • 2. 动态库
    • 3. 可执行文件
  • 十、常用观察命令
  • • 1. file
    • 2. readelf -h
    • 3. readelf -S
    • 4. readelf -l
    • 5. size
  • 十一、一个推荐实验
  • 十二、总结

前几篇我们已经会制作静态库和动态库，也解决了动态库运行期找不到的问题。但如果只停留在命令层面，很容易把 gcc、ar、ldd、readelf 当成一堆零散工具。

从这篇开始，我们往底层走一步：看看 .o、.a、.so、可执行文件背后到底是什么。你会发现，它们都绕不开一个核心格式：ELF。

一、先回顾编译和链接

一个 C 程序从源码变成可执行程序，大致经过这些阶段：

预处理 -> 编译 -> 汇编 -> 链接

平时我们一条命令：

gcc main.c -o main

看起来一步完成，实际上 gcc 帮我们串起了多个阶段。

如果拆开看，可以先生成目标文件：

gcc -c main.c -o main.o

这里的 -c 表示只编译，不链接。 此时 main.o 还不是可执行程序。它只是一个目标文件，里面有机器指令、数据、符号表、重定位信息等。

多个 .o 最后还要链接：

gcc main.o code.o -o main

链接阶段会把多个目标文件和用到的库组合成最终可执行程序。

二、.o 文件是什么

.o 是目标文件。它已经不是 C 源码，而是二进制文件。

可以用 file 查看：

file main.o

可能输出：

main.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

这里最重要的信息是：

ELF
relocatable

这说明 .o 文件是 ELF 格式，而且属于可重定位文件。

可重定位意味着它还不能直接运行，需要和其他目标文件或库继续链接，才能形成可执行文件或共享库。

三、ELF 是什么

ELF 全称是 Executable and Linkable Format，即“可执行与可链接格式”。

Linux 下很多二进制文件都采用 ELF 格式，例如：

.o 目标文件
可执行程序
.so 动态库
core dump 文件

这也是为什么我们研究动静态库时必须理解 ELF。

因为：

.o 是 ELF；
.so 是 ELF；
可执行程序也是 ELF；
链接和加载都围绕 ELF 中的信息展开。

四、ELF 的几种常见类型

1. 可重定位文件 Relocatable File

也就是 .o 文件。

它包含代码和数据，但里面的很多地址还没有最终确定。链接器会根据这些信息继续生成可执行文件或动态库。

查看方式：

file main.o
readelf -h main.o

你会看到类型类似：

Type: REL (Relocatable file)

2. 可执行文件 Executable File

例如我们生成的 main：

gcc main.o code.o -o main
file main

可能输出：

ELF 64-bit LSB executable

它可以被操作系统加载运行。

3. 共享目标文件 Shared Object File

也就是动态库 .so：

file libmyc.so

可能输出：

ELF 64-bit LSB shared object

.so 可以被动态链接器加载到进程地址空间中。

4. Core dump

进程崩溃时产生的 core 文件，也属于 ELF 的一种，用于保存进程崩溃时的上下文，方便调试。

五、ELF 文件整体由哪些部分组成

一个 ELF 文件可以从四个关键部分理解：

ELF Header
Program Header Table
Section Header Table
Sections

1. ELF Header

ELF Header 位于文件开头，描述整个 ELF 文件的基本信息，比如：

• 文件类型；
• 目标机器架构；
• 程序入口地址；
• Program Header Table 的位置；
• Section Header Table 的位置。

查看命令：

readelf -h main

你会看到类似字段：

Magic
Class
Data
Type
Machine
Entry point address
Start of program headers
Start of section headers

ELF Header 的作用可以理解为：

告诉工具和操作系统：这个 ELF 文件是什么，以及其他重要结构在哪里。

2. Section Header Table

Section Header Table 描述 ELF 中有哪些 section。

section 是链接视角下的组织单位，比如：

.text
.data
.bss
.symtab
.strtab
.rela.text
.got
.plt

查看命令：

readelf -S main.o

链接器在链接 .o 文件时，非常关心 section。比如多个 .o 的 .text 代码节会被合并，多个 .data 数据节也会被合并。

3. Program Header Table

Program Header Table 描述 ELF 如何被加载到内存。

查看命令：

readelf -l main

你会看到 LOAD、INTERP 等段信息。

操作系统加载可执行程序时，更关心 Program Header Table，因为它告诉系统：

哪些内容要加载到内存；
加载到什么虚拟地址；
内存区域权限是什么；
哪些段可读、可写、可执行。

4. Sections

Sections 是 ELF 中真正存放代码、数据、符号等内容的区域。

比如：

.text 存放机器指令
.data 存放已初始化全局变量和静态变量
.bss 描述未初始化全局变量和静态变量
.symtab 存放符号表
.got 全局偏移表
.plt 过程链接表

六、常见 section 解释

1. .text

.text 保存程序的机器指令，也就是函数代码。

例如 main、add、my_strlen 最终都会对应 .text 中的一段指令。

2. .data

.data 保存已初始化的全局变量或静态变量。

例如：

int g_val = 10;

这种变量通常会进入 .data。

3. .bss

.bss 对应未初始化或初始化为 0 的全局变量、静态变量。

例如：

int g_count;
static int s_flag;

.bss 很特别：它通常不在文件中保存大量实际的 0 数据，而是记录大小。程序加载时再在内存中清零。

这能节省磁盘空间。

4. .symtab

.symtab 是符号表，记录函数名、变量名和相关地址信息。

后面讲符号解析和重定位时会重点用到它。

5. .got 和 .plt

.got 是全局偏移表，.plt 是过程链接表。

它们和动态链接密切相关，后面会用两篇文章专门讲。

现在先记住：

GOT/PLT 是动态库函数调用的重要基础设施。

七、链接视图和执行视图

ELF 可以从两个视角理解。

1. 链接视图

链接视图关注 section。

链接器处理目标文件时，会关心：

.text 在哪里
.data 在哪里
符号表在哪里
重定位表在哪里

所以链接视图主要对应：

Section Header Table

2. 执行视图

执行视图关注 segment。

操作系统加载程序时，不会一个 section 一个 section 地零散加载，而是按 segment 加载。

执行视图主要对应：

Program Header Table

可以简单总结：

链接器看 section；
操作系统加载器看 segment。

八、为什么 section 要合并成 segment

一个 ELF 文件里可能有很多 section。如果加载时每个 section 都单独映射，会浪费内存页，也不利于权限管理。

现代系统以页为单位管理内存，常见页大小是 4KB。很多 section 很小，如果每个都单独占页，会造成大量碎片。

所以在生成可执行文件时，链接器会把属性相同或相近的 section 合并到 segment 中。

例如：

可读 + 可执行的 section -> 合并到代码相关 LOAD segment
可读 + 可写的 section -> 合并到数据相关 LOAD segment
只读数据 -> 合并到只读 segment

这样操作系统加载时就可以按 segment 建立内存区域，并设置权限：

代码段：可读、可执行
数据段：可读、可写
栈：可读、可写

这就是 readelf -l 中 LOAD 段的重要意义。

九、动静态库与 ELF 的关系

现在回头看前面几篇的内容：

1. 静态库

静态库 .a 是多个 .o 的归档包，而 .o 是 ELF 可重定位文件。

所以静态库本质上是在组织一批 ELF 目标文件。

2. 动态库

动态库 .so 本身就是 ELF 共享目标文件。

它可以被链接器引用，也可以在运行时被动态链接器加载。

3. 可执行文件

最终程序也是 ELF。它的 Program Header Table 会告诉操作系统如何加载它。

所以整个链条可以写成：

.c -> .o(ELF REL) -> .a 或 .so -> 可执行文件(ELF EXEC/DYN)

十、常用观察命令

1. file

查看文件大类：

file main.o
file libmyc.so
file main

2. readelf -h

查看 ELF Header：

readelf -h main

3. readelf -S

查看 section：

readelf -S main.o
readelf -S main

4. readelf -l

查看 segment：

readelf -l main

5. size

查看各段大致大小：

size main

输出中常见：

text data bss

这能帮助你观察程序中代码、已初始化数据、未初始化数据分别占多少空间。

十一、一个推荐实验

准备两个文件。

hello.c：

#include <stdio.h>

extern void run(void);

int main()
{
printf("hello\\n");
run();
return 0;
}

code.c：

#include <stdio.h>

void run(void)
{
printf("run\\n");
}

编译成 .o：

gcc -c hello.c
gcc -c code.c

观察：

file hello.o
readelf -h hello.o
readelf -S hello.o

链接：

gcc hello.o code.o -o main

观察可执行文件：

file main
readelf -h main
readelf -l main
readelf -S main

你会看到：

.o 是可重定位 ELF；
main 是可执行 ELF；
main 有 Program Header Table；
section 会映射到 segment。

十二、总结

ELF 是理解 Linux 编译、链接、库和加载的关键。

.o、.so、可执行程序都和 ELF 有关：

.o：ELF 可重定位文件
.so：ELF 共享目标文件
可执行程序：ELF 可执行文件或 PIE 形式共享对象

链接器主要关注 section，操作系统加载程序主要关注 segment。理解这一点，后面讲符号表、重定位、动态库映射、GOT/PLT 时就不会迷路。

下一篇，我们继续深入链接器最核心的工作：符号解析与重定位。也就是链接器到底如何把一个文件里的函数调用，接到另一个文件里的函数实现上。