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到现在为止，你已经看到了.o文件出现在每个构建步骤中，即源代码和可执行文件之间的中间产品。但它们里面到底是什么？

目标文件是编译器打包机器代码、符号表和元数据的方式，可供链接器组装成最终程序。了解目标文件可以帮助您调试链接错误、检查性能，甚至对编译的代码进行逆向工程。

步骤 1. 生命周期回顾

编译管道如下所示：

source.c ──> preprocessor ──> compiler ──> assembler ──> linker
     |                           |             |          |
     |                        hello.s        hello.o     a.out

你的.c文件变成.o文件在汇编之后、链接之前。

每个.o是独立的，它知道它定义了什么，它需要什么，以及它的代码位于内存中的位置。

步骤 2. 目标文件格式

不同的操作系统使用不同的二进制格式：

操作系统	格式	典型扩展
Linux	ELF（可执行和可链接格式）	.o,.so, 可执行
macOS	马赫-O	.o,.dylib
窗户	咖啡/PE	.obj,.dll,.exe

在 Linux 上，ELF 占主导地位，因此我们将使用它作为参考。

步骤 3. 目标文件内的部分

跑步：

gcc -c main.c -o main.o
readelf -S main.o

你会看到如下输出：

[ 1] .text     PROGBITS  code and functions
[ 2] .data     PROGBITS  initialized global variables
[ 3] .bss      NOBITS    uninitialized globals
[ 4] .rodata   PROGBITS  constants (e.g., string literals)
[ 5] .symtab   SYMTAB    symbol table
[ 6] .strtab   STRTAB    string table
[ 7] .rel.text RELA      relocation info

部分	内容
.text	编译后的机器代码（函数）
.data	具有初始值的全局变量
.bss	没有初始值的全局变量
.rodata	常数，const变量、字符串文字
.symtab	符号表：函数和变量元数据
.rel*	搬迁信息，如何将此文件连接到其他文件

步骤 4. 检查符号

每一个.o文件包含描述其功能和变量的符号。列出它们：

nm main.o

输出：

0000000000000000 T main
                 U printf

符号	意义
T	定义在文本（代码）部分
U	未定义，必须由另一个文件或库提供
D	定义在数据部分
B	定义在 bss 部分
R	在只读数据中定义
W	弱符号（可以被覆盖）

这里，main被定义，printf未定义，意味着链接器必须在 C 标准库中找到它。

小代码：检查多文件示例

数学.c

int add(int a, int b) { return a + b; }
int mul(int a, int b) { return a * b; }

主程序

#include <stdio.h>
int add(int, int);
int mul(int, int);
int main(void) {
    printf("%d\n", add(2, 3) * mul(1, 4));
    return 0;
}

编译但不链接：

gcc -c main.c
gcc -c math.c

检查：

nm main.o

U add
U mul
U printf
T main

U表示未定义，链接器必须解决这些问题。

现在检查math.o:

T add
T mul

这些定义将满足链接器的要求。

链接并检查结果：

gcc main.o math.o -o app
nm app | grep add

现在你会看到：

0000000000401136 T add

链接器重新定位add()进入其最终地址。

步骤 5. 符号可见性

默认情况下，每个函数和全局变量都有外部链接，对链接器可见。

使用static限制当前文件的可见性：

static int hidden_func(void) { return 42; }

现在nm不会将其列为导出符号。这可以保持您的二进制文件干净并防止文件之间的名称冲突。

步骤 6. 检查搬迁

目标文件尚不知道最终地址，因此它们存储重定位条目：链接器稍后必须填充的地址占位符。

检查它们：

readelf -r main.o

输出：

Relocation section '.rela.text':
0000000000000010 R_X86_64_PC32 printf-0x4

这告诉链接器：

“链接时，将此占位符替换为printf().”

步骤 7. 反汇编代码

可以看到实际的机器指令：

objdump -d main.o

输出片段：

0000000000000000 <main>:
   0: 55                    push   %rbp
   1: 48 89 e5              mov    %rsp,%rbp
   4: b8 00 00 00 00        mov    $0x0,%eax

每条指令对应于已编译的 C 代码。这是验证优化、检查内联或研究生成的程序集的方式。

步骤 8. 混合目标文件

因为.o文件包含清晰的符号元数据，您可以混合来自不同语言的目标文件，例如 C 和汇编。

总和

.globl sum
sum:
    addq %rsi, %rdi
    movq %rdi, %rax
    ret

编译并链接：

as sum.s -o sum.o
gcc main.c sum.o -o app

这就是 C 与低级代码干净地集成的方式。

步骤 9. 对象文件大小和内容

检查文件大小：

size main.o

输出：

text    data     bss     dec     hex filename
45      4        0       49      31  main.o

-text→ 代码大小 -data→ 初始化全局变量 -bss→ 未初始化的变量

步骤 10. 小代码：调查一切

gcc -c hello.c -o hello.o
readelf -h hello.o          # ELF header
readelf -S hello.o          # Sections
readelf -s hello.o | head   # Symbol table
readelf -r hello.o          # Relocations
objdump -d hello.o | head   # Disassembly

您将获得有关 C 代码在编译器看来如何的完整低级视图。

为什么它很重要

了解目标文件可以帮助您：

• 调试链接错误和符号冲突
• 检查编译器优化
• 将C与汇编集成
• 手动构建静态和共享库
• 查看二进制文件中的实际内容

在系统编程中，这种见解将代码用户与代码工程师分开。

自己尝试一下

1. 创建两个.o相互依赖的文件并检查其未定义的符号。
2. 使用readelf -S比较.text,.data， 和.bss对于不同的程序。 3.添加一个全局变量，看看它是如何出现的.data或者.bss.
3. 将函数标记为static并确认它从以下位置消失nm输出。
4. 编译-O2并观察拆卸中的变化objdump -d.

接下来，您将通过从头开始构建自己的基于 Makefile 的编译管道，显式编写每个阶段来完成第 6 章的转换.c文件到.o,.a， 和.so工件就像真正的编译器工具链一样。