Функции компоновщика и загрузчика

Компоновщик (или редактор связей) предназначен для связывания между собой объектных файлов, порождаемых компилятором, а также файлов библиотек, входящих в состав системы программирования.

Объектный файл (или набор объектных файлов) не может быть исполнен до тех пор, пока все модули и секции не будут в нем увязаны между собой. Это и делает редактор связей (компоновщик). Результатом его работы является единый файл, называемый, загрузочным модулем.

Загрузочный модуль – программный модуль, пригодный для загрузки и выполнения, получаемый из объектного модуля при редактировании связей и представляющий собой программу в виде последовательности машинных команд.

Компоновщик может порождать сообщение об ошибке, если при попытке собрать объектные файлы в единое целое он не смог обнаружить какой-либо необходимой составляющей.

Функция компоновщика достаточно проста. Он начинает свою работу с того, что выбирает из первого объектного модуля программную секцию и присваивает ей начальный адрес. Программные секции остальных объектных модулей получают адреса относительно начального адреса в порядке следования. При этом может выполняться также функция выравнивания начальных адресов программных секций. Одновременно с объединением текстов программных секции объединя­ются секции данных, таблицы идентификаторов и внешних имен. Разрешаются межсекционные ссылки.

Процедура разрешения ссылок сводится к вычислению значений адресных кон­стант процедур, функций и переменных с учетом перемещений секций относи­тельно начала собираемого программного модуля. Если при этом обнаруживают­ся ссылки к внешним переменным, отсутствующим в списке объектных модулей, редактор связей организует их поиск в библиотеках, доступных в системе про­граммирования. Если же и в библиотеке необходимую составляющую найти не удается, формируется сообщение об ошибке.

Обычно компоновщик формирует простейший программный модуль, создавае­мый как единое целое. Однако в более сложных случаях компоновщик может создавать и другие модули: программные модули с оверлейной структурой, объ­ектные модули библиотек и модули динамически подключаемых библиотек.

Большинство объектных модулей в современных системах программирования строятся на основе так называемых относительных адресов. Компилятор, порож­дающий объектные файлы, а затем и компоновщик, объединяющий их в единое целое, не могут знать точно, в какой реальной области памяти компьютера будет располагаться программа в момент ее выполнения. Поэтому они работают не с реальными адресами ячеек ОЗУ, а с некоторыми относительными адресами. Та­кие адреса отсчитываются от некоторой условной точки, принятой за начало области памяти, занимаемой результирующей программой (обычно это точка начала первого модуля программы).

Конечно, ни одна программа не может быть исполнена в этих относительных адресах. Поэтому требуется модуль, который бы выполнял преобразование отно­сительных адресов в реальные (абсолютные) адреса непосредственно в момент запуска программы на выполнение. Этот процесс называется трансляцией адре­сов и выполняет его специальный модуль, называемый загрузчиком.

Однако загрузчик не всегда является составной частью системы программирова­ния, поскольку выполняемые им функции очень зависят от архитектуры целе­вой вычислительной системы, в которой выполняется результирующая программа, созданная системой программирования. На первых этапах развития ОС загруз­чики существовали в виде отдельных модулей, которые выполняли трансляцию адресов и готовили программу к выполнению – создавали так называемый “об­раз задачи”. Такая схема была характерна для многих ОС (например, для ОСРВ на ЭВМ типа СМ-1, ОС RSX/11 или RAFOS на ЭВМ типа СМ-4 и т. п.). Образ задачи можно было сохранить на внешнем носителе или же создавать его вновь всякий раз при подготовке программы к выполнению.

С развитием архитектуры вычислительных средств компьютера появилась воз­можность выполнять трансляцию адресов непосредственно в момент запуска про­граммы на выполнение. Для этого потребовалось в состав исполняемого файла включить соответствующую таблицу, содержащую перечень ссылок на адреса, которые необходимо подвергнуть трансляции. В момент запуска исполняемого файла ОС обрабатывала эту таблицу и преобразовывала относительные адреса в абсолютные. Такая схема, например, характерна для ОС типа MS-DOS. В этой схеме модуль загрузчика как таковой отсутствует (фактически он входит в состав ОС), а система программирования ответственна только за подготовку таблицы транс­ляции адресов – эту функцию выполняет компоновщик.

В современных ОС существуют сложные методы преобразования адресов, ко­торые работают непосредственно уже во время выполнения программы. Эти ме­тоды основаны на возможностях, аппаратно заложенных в архитектуру вычис­лительных комплексов. Методы трансляции адресов могут быть основаны на сегментной, страничной и сегментно-страничной организации памяти. Тогда для выполнения трансляции адресов в момент запуска программы должны быть подготовлены соответствующие системные таблицы. Эти функции целиком ложатся на моду­ли ОС, поэтому они не выполняются в системах программирования.