Mach-O 静态符号绑定

什么是符号

我们在编写代码时书写的函数名、变量名都是符号。正是有符号的存在，在使用函数和变量时，我们无需关心其真实的地址，使用符号便可以完成定义和引用。并且符号也更有助于我们阅读代码。可以简单总结下符号的作用

符号让目标文件可以相互引用，一起链接生成可执行文件。
符号可以帮助我们阅读代码、定位问题。

想对符号有更多了解的，可以阅读下关于 Mac/iOS 平台的符号。

符号绑定

代码在完成预处理、编译、汇编后生成目标文件，此时的符号还未进行绑定，也就是说还无法通过符号找到函数和变量的地址。当多个目标文件链接生成可执行文件后，这时符号绑定的工作才完成。简单说符号起到了延时绑定的作用。延时绑定的含义就是不要过早的进行符号绑定，而是推迟到最后的链接阶段。因为链接是整合多个目标文件的过程，只有在整合完成后符号对应的地址才能确定。

静态符号的绑定

准备源代码main.c如下：

// main.c文件

int test() {
	return 1;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    test();
    return 0;
}

Clang 编译生成目标文件

clang -c main.c -o main.o

目标文件属于Mach-O格式，使用MachOView工具来解析main.o。

关于 Mach-O 的具体格式信息可以参考这一篇：Parsing Macho-O files。

MachOView解析main.o，先观察代码段__TEXT，在偏移代码段0x28处，正是在调用test函数，此时函数地址是0x000000，符号还未绑定。

再观察Relocations重定位表，此处记录了所有需要在链接时进行绑定的符号。它记录着符号在内存中的位置信息和在Symbol Table符号表中的位置。下图，2处Address字段0x28表示符号在所在段内的偏移。3处Symbol字段0x0表示在符号表0x0处记录着该符号的其它信息。

再看Symbol Table符号表，此处记录了.o文件的所有符号。它记录着符号对应的地址和符号对应在字符串表中的位置。下图，3处Value字段表示符号的地址，此时未绑定，所以值为0。2处String Table Index字段值为1，表示字符在字符串表中的起始位置为1。MachOView已经帮助我们查到在字符串表中起始1处就是_test。

再看String Table字符表，此处记录了所有符号对应的字符串。下图2处，通过上面符号表中存储的字符串表起始位置1，查到该符号确实是_test。

Clang 链接目标文件生成可执行

clang main.o -o main

MachOView再解析main可执行文件，发现Relocations重定位表不存在了，说明链接完成符号绑定后，已经不需要再记录符号的位置。再看Symbol Table符号表，value字段值变为0x100003F74，此时符号对应的地址已确定。

再看代码段__TEXT，在main函数中调用test的函数地址和符号表中地址一致都是0x100003F74。

这里通过汇编代码：bl FFFFF6，计算出函数目标地址。

先求得 0xFFFFF6 = -0x00000A，-0x00000A再左移2位-0x000028。

目标地址 = 当前指令地址 - 0x000028 = 0x00003F9C - 0x000028 = 0x00003F74

这里计算结果和0x100003F74相差0x100000000，是因为我在使用MachOView时，选择的是RAW展示的是相对文件的偏移地址，选择RVA就可以展示载入内存后的偏移地址。

总结

静态符号的绑定过程：

编译：生成目标文件，会先生成Relocations重定位表，记录重定位符号的位置信息。
链接：在分段合并所有.o文件的内容后，确定Symbol Table符号表中每个符号的地址。
重定位：再根据重定位表找到符号位置，将符号表中对应的地址绑定到该符号。