Linux ELF Load 详解：探索动态链接器和可执行文件加载过程 (linux elf load)

在计算机科学领域，可执行文件加载是一个重要的主题，尤其是在操作系统开发中。操作系统需要加载和启动用户程序，而这些程序通常以二进制可执行文件的形式存在。Linux下，这些二进制可执行文件通常使用 ELF（可扩展链接格式）格式进行存储。

在Linux中，可执行文件加载的过程由动态链接器 (LD) 和其他一些关键组成部分组成。本文将详细探讨可执行文件的加载过程，包括动态链接器的作用、动态链接库（Dynamically Linked Libraries，简称DL库）如何被加载、ELF头（Executable and Linking Format header）以及如何建立进程镜像。

1. 动态链接器

在加载可执行文件时，Linux系统使用一个叫做动态链接器（LD）的程序。动态链接器任务是将运行时所需的各个组件，如共享对象（即动态链接库），加载到进程空间内。动态链接器负责将进程映像文件（即可执行文件）中的“外部引用”与实际代码和数据所在的位置进行映射。它使用链接器命令（ld.so或ld-linux.so）实现这个任务。

动态链接器是通过缺省的环境变量如 $LD_LIBRARY_PATH、$LIBPATH等，搜索指定位置将库动态加载到内存中。这样做的优点是，多个程序可以同时共享同一个库文件，减少了内存的占用，并且对于库的更新也更加方便。

2. 动态链接库

除了可执行文件外，Linux还支持动态链接库。动态链接库是包含可供可执行文件在运行时使用的代码和数据的库文件。与静态库相比，其更大的优点是占用更小的内存。

动态链接库在加载时可以根据需要进行加载，使得进程镜像可以快速启动。在实际的应用中，动态链接库在解决依赖问题上起到了非常重要的作用，同时也大大增加了程序内存的使用效率。

当运行一个可执行文件时，动态链接器会自动查找和载入依赖的动态链接库，如果找不到对应的库文件，则会报错。

3. 可执行文件格式: ELF头

ELF是一个通用的可执行文件格式，几乎所有的Linux可执行文件都支持它。ELF头包含了进程映像的许多信息，如程序入口、共享对象表和链接信息。它也包含了此进程映像中程序代码和数据的头部信息，如数据段、BSS段、符号表等等。

ELF头：https://static.oschina.net/uploads/space/2023/1222/110013_Qscl_5524496.png

4. 建立进程映像

当一个程序被加载到进程映像时，操作系统会为该进程创建一个单独的地址空间。进程映像由程序映像和数据映像组成。程序映像包括代码和只读数据，数据映像包含可写入数据，包括堆和栈。

当动态链接器启动时，它会对每一个需要载入到进程映像内的共享对象（动态链接库）进行如下操作：

1. 解析每一个共享对象中获取共享对象中存储的符号表信息。

2. 在运行时将这些符号匹配到连接器中的符号。

3. 计算得到每个符号在进程映像的正确地址。

此时，进程映像会包含所有加载的共享对象及其依赖项。一旦进程映像被建立起来，处理器就可以从进程映像开始执行程序代码。

结论

在Linux环境下，运行可执行文件涉及到很多重要的概念和组件。本文详细阐述了动态链接器的作用、动态链接库和ELF头的功能以及进程映像的建立。了解这些概念对于Linux系统的了解和在Linux开发中的应用都是至关重要的。