C++ 链接器脚本（Linker Scripts）：自定义内存布局与符号解析

好的，各位观众，欢迎来到今天的“C++ 链接器脚本奇妙之旅”！今天咱们不讲虚头巴脑的理论，直接上手，用大白话把这神秘的链接器脚本给扒个精光。

开场白：链接器，程序的幕后大佬

咱们写的C++代码，编译完了之后，那还只是一个个“零件”，得靠链接器（Linker）这位大佬，把这些零件组装成一个完整的、能跑的程序。链接器干的事情可多了，比如：

符号解析： 找到代码里用到的变量、函数，看看它们到底定义在哪里。
重定位： 调整代码里的地址，让程序知道该往哪里跳，该读写哪个内存位置。
内存布局： 把代码、数据放到内存的哪个位置，安排得明明白白。

而链接器脚本，就是咱们指挥这位大佬的“剧本”，告诉它该怎么组装、怎么安排。

第一幕：为啥要用链接器脚本？

可能有人会问，链接器自己不是挺能干的吗？为啥还要咱们手动写脚本？

简单来说，默认情况下，链接器会按照一套它自己的规则来组装程序。但有时候，咱们需要更精细的控制，比如：

嵌入式系统： 内存资源有限，需要把代码、数据放到指定的内存区域，比如 Flash、RAM 等。
驱动开发： 需要把某些代码放到特定的地址，才能让硬件正确工作。
优化： 为了提高性能，可能需要把经常一起使用的代码放到相邻的内存区域。
诊断： 为了调试，可能需要人为划分代码、数据区域，例如为了方便查找溢出。

这时候，链接器脚本就派上大用场了！它可以让我们精确地控制程序的内存布局，实现各种高级操作。

第二幕：链接器脚本的基本结构

链接器脚本的语法有点像配置文件的感觉，主要分为几个部分：

入口点（Entry Point）： 程序从哪里开始执行？通常是 _start 函数。
内存区域（Memory Regions）： 定义了可用的内存区域，比如 ROM、RAM 等。
段（Sections）： 代码、数据会被分成不同的段，比如 .text（代码段）、.data（已初始化数据段）、.bss（未初始化数据段）等。
段的分配（Section Placement）： 把各个段放到哪个内存区域。
符号定义（Symbol Definitions）： 定义一些全局符号，可以在代码里使用。

下面是一个简单的链接器脚本示例：

ENTRY(_start) /* 定义入口点 */

MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M /* FLASH 区域，可读可执行，起始地址 0x08000000，大小 1MB */
  RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K /* RAM 区域，可读可写可执行，起始地址 0x20000000，大小 128KB */
}

SECTIONS
{
  .text : { /* 代码段 */
    *(.text*) /* 匹配所有 .text 开头的段 */
  } > FLASH /* 放到 FLASH 区域 */

  .data : { /* 已初始化数据段 */
    *(.data*) /* 匹配所有 .data 开头的段 */
  } > RAM /* 放到 RAM 区域 */

  .bss : { /* 未初始化数据段 */
    *(.bss*) /* 匹配所有 .bss 开头的段 */
  } > RAM /* 放到 RAM 区域 */
}

这个脚本做了啥呢？

定义了程序的入口点是 _start 函数。
定义了两个内存区域：FLASH 和 RAM，并指定了它们的起始地址和大小。
把 .text 段放到 FLASH 区域，把 .data 和 .bss 段放到 RAM 区域。

第三幕：内存区域（MEMORY）

MEMORY 命令用来定义可用的内存区域。每个区域都需要指定一个名字、起始地址和大小。

MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M
  RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

FLASH (rx)：定义了一个名为 FLASH 的区域，rx 表示可读可执行。
ORIGIN = 0x08000000：指定了起始地址为 0x08000000。
LENGTH = 1M：指定了大小为 1MB。

括号里的 rx, rw, rwx 等表示权限：

权限	含义
r	可读
w	可写
x	可执行
a	可分配
i	已初始化
l	链接

第四幕：段（SECTIONS）

SECTIONS 命令用来定义各个段，并指定它们应该放到哪个内存区域。

SECTIONS
{
  .text : {
    *(.text*)
  } > FLASH

  .data : {
    *(.data*)
  } > RAM

  .bss : {
    *(.bss*)
  } > RAM
}

.text : { ... } > FLASH：定义了一个名为 .text 的段，并把它放到 FLASH 区域。
*(.text*)：这是一个段描述符，表示匹配所有以 .text 开头的段。简单来说，就是把所有编译单元（.o 文件）里面的所有.text段都放在一起组成最终可执行文件的.text段。
> 符号：指定了段应该放到哪个内存区域。

段描述符的用法

段描述符是链接器脚本里最灵活的部分，可以用来匹配各种段。常用的语法有：

*(.text)：匹配所有 .text 段。
*(.text*)：匹配所有以 .text 开头的段，比如 .text.startup、.text.init 等。
myfile.o(.text)：匹配 myfile.o 文件里的 .text 段。
*(SORT_BY_NAME(.init_array.*))：匹配所有以 .init_array. 开头的段，并按照名字排序。

段的属性

除了指定内存区域，还可以为段指定一些属性，比如：

KEEP()：防止链接器优化掉这个段。
NOLOAD：不把这个段加载到内存里。

例如：

SECTIONS
{
  .my_section : {
    KEEP(*(.my_section)) /* 防止被优化掉 */
  } > RAM
}

第五幕：符号定义（Symbol Definitions）

链接器脚本里可以定义一些全局符号，这些符号可以在代码里使用，用来获取段的起始地址、大小等信息。

SECTIONS
{
  .text : {
    _text_start = .; /* . 表示当前地址 */
    *(.text*)
    _text_end = .;
  } > FLASH
}

在这个例子里，我们定义了两个符号：_text_start 和 _text_end，分别表示 .text 段的起始地址和结束地址。

在 C++ 代码里，就可以这样使用这些符号：

extern unsigned int _text_start;
extern unsigned int _text_end;

int main() {
  unsigned int text_size = (unsigned int)&_text_end - (unsigned int)&_text_start;
  // ...
}

. 的含义

在链接器脚本里，. 表示当前地址。它的值会随着链接器的处理而不断变化。

ABSOLUTE() 的用法

ABSOLUTE() 函数可以用来定义绝对地址的符号。

_my_address = ABSOLUTE(0x12345678);

这样，_my_address 的值就是 0x12345678，不会受到链接器的影响。

第六幕：高级技巧

条件语句

链接器脚本也支持条件语句，可以根据不同的条件来选择不同的配置。

#ifdef USE_FLASH
  MEMORY
  {
    FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M
  }
#else
  MEMORY
  {
    RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
  }
#endif

INCLUDE 命令

可以使用 INCLUDE 命令来包含其他的链接器脚本。

INCLUDE "my_common.ld"

OVERLAY 命令

OVERLAY 命令可以用来定义重叠区域，多个段可以共享同一块内存。这在内存资源非常有限的情况下很有用。

OVERLAY : AT(0x20000000)
{
  .overlay1 {
    *(.overlay1)
  }
  .overlay2 {
    *(.overlay2)
  }
}

在这个例子里，.overlay1 和 .overlay2 段会共享从 0x20000000 开始的内存区域。

第七幕：实战演练

假设我们有一个嵌入式系统，需要把启动代码放到 Flash 的开头，把中断向量表放到 Flash 的特定地址，把其他代码放到 Flash 的剩余空间，把数据放到 RAM。

首先，定义内存区域：

MEMORY
{
  FLASH (rx) : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 1M
  RAM (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 128K
}

然后，定义段的分配：

SECTIONS
{
  .isr_vector : { /* 中断向量表 */
    KEEP(*(.isr_vector)) /* 防止被优化掉 */
  } > FLASH AT > 0x08000000 /* 放到 FLASH，起始地址 0x08000000 */

  .text : { /* 代码段 */
    _text_start = .;
    *(.text*)
    _text_end = .;
  } > FLASH

  .data : { /* 已初始化数据段 */
    _data_start = .;
    *(.data*)
    _data_end = .;
  } > RAM

  .bss : { /* 未初始化数据段 */
    _bss_start = .;
    *(.bss*)
    _bss_end = .;
  } > RAM
}

在这个例子里，我们把 .isr_vector 段放到了 FLASH 的开头，并使用 AT 命令指定了它的起始地址。其他代码和数据按照默认的方式分配。

第八幕：调试技巧

链接器脚本写错了怎么办？别慌，有一些调试技巧可以帮助你：

Map 文件： 链接器会生成一个 Map 文件，里面包含了程序的内存布局信息，可以用来查看各个段的地址和大小。
链接器错误信息： 仔细阅读链接器的错误信息，通常会告诉你哪里出了问题。
GDB： 使用 GDB 调试器，可以查看程序的内存布局，验证链接器脚本是否正确。

第九幕：总结

链接器脚本是一个强大的工具，可以让我们精确地控制程序的内存布局。虽然它的语法有点复杂，但只要掌握了基本概念和常用技巧，就能轻松应对各种复杂的链接需求。

友情提示：

不同工具链（比如 GCC、Clang）的链接器脚本语法可能略有不同，需要参考相应的文档。
在修改链接器脚本之前，一定要备份原来的版本，以防万一。
多做实验，多查资料，才能真正掌握链接器脚本的精髓。

好了，今天的“C++ 链接器脚本奇妙之旅”就到这里了。希望大家有所收获，谢谢！

附录：常用链接器脚本命令

命令	含义
`ENTRY()`	定义程序的入口点。
`MEMORY`	定义内存区域。
`SECTIONS`	定义段的分配。
`>`	指定段应该放到哪个内存区域。
`AT()`	指定段的起始地址。
`KEEP()`	防止链接器优化掉这个段。
`NOLOAD`	不把这个段加载到内存里。
`ABSOLUTE()`	定义绝对地址的符号。
`INCLUDE`	包含其他的链接器脚本。
`OVERLAY`	定义重叠区域。
`SORT_BY_NAME()`	对段进行排序，常用的方法有 `SORT_BY_NAME`, `SORT_BY_ALIGNMENT`, `SORT_BY_INIT_PRIORITY` 等。
`. =`	设置当前地址。
`PROVIDE()`	如果符号未定义，则定义符号。例如：`PROVIDE(_stack = DEFINED(_estack) ? _estack : ORIGIN(RAM) + LENGTH(RAM));`，表示如果 _estack 符号已经定义了，那么 _stack 就等于 _estack，否则 _stack 就等于 RAM 的起始地址加上 RAM 的长度。

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