GNU ld 链接脚本入门实践指南

孤星旅记原创2025/6/18大约 6 分钟

概览：链接器在构建系统中的角色
重要概念：输入节、输出节、程序头（段）、VMA/LMA
链接脚本骨架：OUTPUT_*、ENTRY、PHDRS、MEMORY、SECTIONS
段权限与装载：PHDRS 与 :phdr 绑定（RX/RW 划分）
物理内存映射（嵌入式）：MEMORY、>REGION、AT>、REGION_ALIAS
输入节选择与整理：通配、KEEP、EXCLUDE_FILE、/DISCARD/
常用表达式：.、ALIGN、SIZEOF、ADDR、LOADADDR
最小可跑示例（Linux）与验证方法（readelf/objdump）
最小可跑示例（ARM/裸机）与启动搬运符号
孤儿节与错误复现：--orphan-handling=error
调试与排错：map 文件、节/段检查清单
常见陷阱与最佳实践清单
术语速查表（glossary）
进一步阅读（官方文档入口）

概览：链接器在构建系统中的角色

编译器把每个 .c/.S 翻译为 .o（目标文件），这些对象含有若干 输入节（input section），例如：.text（代码）、.rodata（只读常量）、.data（已初始化可写数据）、.bss（未初始化数据）。

链接器（ld） 将所有 .o 和 .a 归并：

解析未定义符号，做重定位；
将若干输入节聚合成 输出节（output section）；
生成 程序头（Program Headers / Segments），告诉加载器如何把文件片段映射进内存并设置权限。

当你不写 linker script 时，ld 使用 默认脚本，其规则对多数普通程序足够；当你需要更强控制（嵌入式布局、特殊段、性能/安全需求）时，就需要自定义脚本。

重要概念：输入节、输出节、程序头、VMA/LMA

输入节（input section）：编译器/汇编器放入 .o 的节，如 .text、.data、自定义 .MY_NOINIT。你可用 __attribute__((section(".foo"))) 指定它。
输出节（output section）：链接脚本 SECTIONS { ... } 定义的目标节，如输出 .text、.data、.bss、自定义段。
程序头（Program Header / Segment, PT_*）：加载器按“段”装载文件片段，并按 p_flags 设定权限：
- PF_X=0x1（可执行）、PF_W=0x2（可写）、PF_R=0x4（可读）。
- 常见组合：RX=0x5、RW=0x6。
VMA / LMA：
- VMA（运行地址）：节在运行时的地址。
- LMA（加载地址）：节的初始内容从文件装载到内存的位置。嵌入式常见 .data：LMA 在 FLASH、VMA 在 RAM，启动时从 LMA 复制到 VMA。

链接脚本骨架

OUTPUT_FORMAT("elf64-x86-64")   /* 目标格式 */
ENTRY(_start)                     /* 入口符号 */

/* 1) 定义两个 PT_LOAD：text=RX、data=RW */
PHDRS {
  text PT_LOAD FILEHDR PHDRS FLAGS(0x5);  /* PF_R|PF_X：可读可执行，含文件头与程序头表 */
  data PT_LOAD            FLAGS(0x6);     /* PF_R|PF_W：可读可写 */
}

/* 2) 组织输出节并绑定到相应段 */
SECTIONS {
  . = SIZEOF_HEADERS;

  /* 代码与只读常量 → RX 段 */
  .text : {
    *(.text .text.*)
    *(.rodata .rodata.*)
  } :text

  /* 页对齐后切换到 RW 段，避免跨段 */
  . = ALIGN(CONSTANT(MAXPAGESIZE));

  /* 可写数据 → RW 段 */
  .data : { *(.data .data.*) } :data
  .bss  (NOLOAD) : { *(.bss .bss.*) *(COMMON) } :data

  /* 自定义 no-init 段（文件不占体积、运行期占内存） */
  .MY_NOINIT (NOLOAD) : ALIGN(32) {
    KEEP(*(.MY_NOINIT))
  } :data

  /* 丢弃不需要的节（减少噪音与潜在 orphan） */
  /DISCARD/ : { *(.comment) *(.note.GNU-stack) *(.debug*) }
}

段权限与装载：`PHDRS` 与 `:phdr` 绑定

PT_LOAD 段的 p_flags 控制装载后内存页权限：
- text 段：FLAGS(0x5) → RX（不可写）；
- data 段：FLAGS(0x6) → RW（不可执行）。
在 SECTIONS 中用 :text/:data 明确把输出节挂到对应段，避免把可写变量误放进 RX 导致运行时写崩。

物理内存映射（嵌入式）：`MEMORY`、`>REGION`、`AT>`、`REGION_ALIAS`

嵌入式需要与芯片手册对齐地址窗口：

MEMORY {
  FLASH (rx)  : ORIGIN = 0x08000000, LENGTH = 2M
  RAM   (rwx) : ORIGIN = 0x20000000, LENGTH = 512K
}
REGION_ALIAS("ROM", FLASH)
REGION_ALIAS("RAM_RW", RAM)

PHDRS { text PT_LOAD FLAGS(0x5); data PT_LOAD FLAGS(0x6); }

SECTIONS {
  .text : { *(.isr_vector) *(.text*) *(.rodata*) } > ROM  :text

  /* .data 的镜像放在 ROM，运行地址在 RAM */
  .data : AT>ROM {
    _sdata = .; *(.data .data.*) _edata = .;
  } > RAM_RW :data
  _sidata = LOADADDR(.data);

  .bss (NOLOAD) : {
    _sbss = .; *(.bss .bss.*) *(COMMON) ; _ebss = .;
  } > RAM_RW :data

  .MY_NOINIT (NOLOAD) : ALIGN(32) { KEEP(*(.MY_NOINIT)) } > RAM_RW :data
}

烧录器根据 LMA 写入 FLASH；启动代码用 _sidata/_sdata/_edata 复制 .data，用 _sbss/_ebss 清零 .bss。
REGION_ALIAS 让你只改一处就能把 “ROM” 从 FLASH 切到 ITCM/不同 Bank。

输入节选择与整理

*(.text .text.*)：所有输入文件的 .text 与子节。
EXCLUDE_FILE(file.o) *(.rodata*)：排除特定对象的输入节。
KEEP(*(.isr_vector))：配合 --gc-sections 保留关键节。
/DISCARD/ : { *(.comment) *(.debug*) *(.note.GNU-stack) }：丢弃无关节，减少 orphan 风险。
SORT_BY_NAME() / SORT_BY_ALIGNMENT()：对输入节排序。

常用表达式

.：位置计数器（location counter）。
ALIGN(n)：地址对齐；SUBALIGN(n)：子节对齐。
SIZEOF(.sec)、ADDR(.sec)、LOADADDR(.sec)：节的大小、VMA、LMA。
ORIGIN(RAM)、LENGTH(FLASH)：取 MEMORY 中定义的参数。
DEFINED(sym)：判断符号是否存在。

最小可跑示例（Linux）

link.ld（精简）：

OUTPUT_FORMAT("elf64-x86-64")
ENTRY(_start)
PHDRS { text PT_LOAD FILEHDR PHDRS FLAGS(0x5); data PT_LOAD FLAGS(0x6); }
SECTIONS {
  . = SIZEOF_HEADERS;
  .text : { *(.text .text.*) *(.rodata .rodata.*) } :text
  . = ALIGN(CONSTANT(MAXPAGESIZE));
  .data : { *(.data .data.*) } :data
  .bss (NOLOAD) : { *(.bss .bss.*) *(COMMON) } :data
  .MY_NOINIT (NOLOAD) : ALIGN(32) { KEEP(*(.MY_NOINIT)) } :data
  /DISCARD/ : { *(.comment) *(.note.GNU-stack) *(.debug*) }
}

_start（不依赖 libc，直接 syscall）：

__attribute__((section(".MY_NOINIT"))) volatile unsigned g_counter;
static inline long sys_write(int fd, const void* buf, unsigned long len){
  long r; __asm__ volatile("syscall": "=a"(r): "a"(1),"D"(fd),"S"(buf),"d"(len):"rcx","r11","memory"); return r;
}
__attribute__((noreturn)) static inline void sys_exit(int code){
  __asm__ volatile("syscall"::"a"(60),"D"(code):"rcx","r11","memory"); __builtin_unreachable();
}
__attribute__((noreturn)) void _start(void){
  g_counter = 0xDEADBEEF;
  const char msg[]="Hello ld!\n"; sys_write(1,msg,sizeof(msg)-1); sys_exit(0);
}

验证：

readelf -l a.out   # 两个 LOAD：一个 R E，一个 R W
readelf -S a.out   # .MY_NOINIT 为 NOBITS，绑定到 data 段

最小可跑示例（ARM/裸机）

MEMORY 给出 FLASH/RAM；
.text > ROM；
.data : AT>ROM > RAM；
NOLOAD 的 .bss、自定义 .MY_NOINIT 放 RAM；
启动代码复制 .data、清零 .bss。

孤儿节与错误复现

开启：-Wl,--orphan-handling=error，任何未被 SECTIONS 明确接纳的输入节都报错。
常见孤儿：.note.gnu.property、.eh_frame*、.comment、.note.GNU-stack、.debug* 等。解决：
- 明确放入某输出节；或
- /DISCARD/ 丢弃；或
- 通过编译/链接选项抑制生成（如 -fno-asynchronous-unwind-tables、-Wl,--build-id=none）。

调试与排错清单

权限崩溃（写 RX）：检查 .data/.bss/自定义 是否都挂到 :data（RW）。
段跨界/对齐：两个 PT_LOAD 之间 ALIGN(MAXPAGESIZE)。
镜像体积异常：确认 NOLOAD 的段没有意外进了文件；检查 AT>/LMA。
符号初始化异常：核对 _sidata/_sdata/_edata 与启动代码。
节被回收：开了 --gc-sections 记得 KEEP()。
孤儿节：用 --orphan-handling=error 强制你补齐映射。
工具核查：readelf -l/-S、objdump -h/-p、map 文件。

最佳实践清单

明确两个（或三个）PT_LOAD：RX（.text）、RO（可选 .rodata）、RW（.data/.bss/自定义）。
在 SECTIONS 中显式 :text/:data 绑定，禁止隐式划分。
嵌入式用 MEMORY 与 AT> 正确处理 FLASH/RAM 与 LMA/VMA。
需要 --gc-sections 时，对关键节使用 KEEP()。
用 /DISCARD/ 清理无用节，降低 orphan 与体积噪音。
在两个 PT_LOAD 之间做页对齐。
保留 map 文件并养成阅读习惯。

术语速查（glossary）

Section（节）：链接单位，如 .text/.data/.bss。
Output section（输出节）：脚本定义的目标节。
Program Header / Segment（程序头/段）：加载器装载的页范围，含权限位。
PT_LOAD：可装载段类型。
PF_R/PF_W/PF_X：段权限位。
VMA/LMA：运行地址/加载地址。
NOLOAD/NOBITS：段不占文件体积。
KEEP：阻止节在 --gc-sections 下被回收。
REGION_ALIAS：给 MEMORY 区起别名。

进一步阅读（官方入口）

GNU ld 官方手册《Linker Scripts》章节：SECTIONS、MEMORY、PHDRS、表达式与内建函数等。
ELF gABI：Program Header、p_flags、PT_* 类型。
Arm / Keil Scatter、IAR ICF：嵌入式平台的等价语法。