目标文件格式是计算机科学中一个基础且重要的概念，它涉及到软件开发的编译和链接阶段。本篇将深入探讨目标文件格式，以南京大学计算机科学与技术系袁春风的讲解为线索，结合C语言程序实例进行说明。
让我们通过一个简单的C语言程序来理解目标文件的内容。该程序包含两个模块：`main.c` 和 `swap.c`。`main.c` 中定义了一个全局数组`buf`以及调用了`swap`函数，而`swap.c`实现了`swap`函数并声明了对`buf`的引用。每个模块都有自己的代码和数据，如初始化的全局变量（`buf`），未初始化的全局变量，静态变量以及局部变量。局部变量如`swap`函数中的`temp`存储在栈中，仅在函数内部使用，因此在目标文件中不会作为符号定义出现。
当使用GCC编译器编译这个程序时，会经历预处理、编译、汇编三个步骤，最终生成`.o`（可重定位目标文件）。预处理阶段处理宏定义、条件编译等；编译阶段将源代码转化为汇编语言；汇编阶段将汇编代码转换成机器码。每个源文件都会生成一个对应的`.o`文件，这些文件包含了代码（`.text`节）和数据（`.data`节）。
链接阶段，GCC会将多个`.o`文件合并，处理符号引用关系。这包括符号解析和重定位两个步骤。符号解析是指找到所有引用的符号（如函数调用和变量引用）与其定义相对应，这个信息存储在符号表中。重定位则是计算每个定义的符号在最终可执行文件中的地址，并更新所有引用这些符号的指令和数据。
链接过程的本质是合并节（sections），例如`.text`节合并所有代码，`.data`节合并所有初始化的数据，`.bss`节合并未初始化的数据。同时，链接器还要处理动态链接库（在Windows中称为DLLs，在这里我们讨论的是Unix-like系统的共享目标文件`.so`）的情况，这类文件在运行时才会加载到内存并链接。
在目标文件中，每个节都有相应的头部信息（headers），记录了节的大小、位置等信息。此外，还存在符号表（`.symtab`）和调试信息（`.debug`）等辅助数据，便于调试和动态加载。
以汇编代码为例，我们看到指令如`add B jmp L0`在原始的`.o`文件中可能只包含相对地址，链接器会在确定每个符号的绝对地址后，将这些相对地址替换为实际的内存地址，使得程序能够正确执行。
总结来说，目标文件格式是编译和链接过程中的关键环节，它存储了代码、数据、符号信息和节布局，以便于构建可执行文件或共享库。了解目标文件格式有助于我们理解软件开发中的编译原理和程序执行的底层机制。在实际编程中，熟练掌握这一知识可以更好地调试、优化和维护代码。
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