链接器的链接一般分为两步：

空间与地址分配：收集目标文件中所有的段，将他们分类合并。收集目标文件中所有的符号，将他们统一放到一个符号表中。
符号解析与重定位：根据段的重定位表，和上一步中重新调整过的地址，对符号进行重定位。
关于空间与地址分配和符号解析与重定位的问题，可以参考程序员的自我修养中关于静态链接4.1和4.2两节。
本文主要关注链接中以下几方面问题：
模板去重
-ffunction-sections，-fdata-sections和-gc-sections清除dead code
inline函数与inline变量

模板去重

C++编译采用包含模型(inclusion model)，大多数编译器在进行模板具现化时采用贪婪实例化(greedy instantiaion)。这将导致一个模板的相同具现化可能出现在多个翻译单元。如果将这些模板具现化产生的符号都认为是GLOBAL类型的符号的话，会导致出现multiple definition 的链接错误。
现在主流编译器采用的策略是：将每个模板的具现化都单独放在一个segment中。当链接器在链接过程中遇到多个相同的因模板具现化而产生的段时，选择其中一个，丢弃其他的。

#include <cstdio>
template<typename T>
decltype(auto) add(T a, T b){
  const static char s[] = "STRING_LITERAL";
  puts(s);
  return a + b;
}
int main(){
  return add(1, 1);
}

将上面这段程序编译之后，查看其可重定位目标文件，我们会发现该函数模板的实例化被放在一个单独的段.text._Z3addIiEDc中。且其符号_Z3addIiEDcT_S0_BIND为WEAK。并且该实例化所产生的局部static变量也被单独地放置在了一个段中。

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .group            GROUP            0000000000000000  00000040
       0000000000000008  0000000000000004          15    13     4
  [ 2] .group            GROUP            0000000000000000  00000048
       000000000000000c  0000000000000004          15    14     4
  [ 3] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000054
       000000000000001a  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 4] .rela.text        RELA             0000000000000000  00000348
       0000000000000018  0000000000000018   I      15     3     8
  [ 5] .data             PROGBITS         0000000000000000  0000006e
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 6] .bss              NOBITS           0000000000000000  0000006e
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 7] .rodata._ZZ3addIi PROGBITS         0000000000000000  00000070
       000000000000000f  0000000000000000  AG       0     0     8
  [ 8] .text._Z3addIiEDc PROGBITS         0000000000000000  0000007f
       0000000000000028  0000000000000000 AXG       0     0     1
  [ 9] .rela.text._Z3add RELA             0000000000000000  00000360
       0000000000000030  0000000000000018  IG      15     8     8
  [10] .comment          PROGBITS         0000000000000000  000000a7
       0000000000000025  0000000000000001  MS       0     0     1
  [11] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  000000cc
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [12] .note.gnu.propert NOTE             0000000000000000  000000d0
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     8
  [13] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  000000f0
       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8
  [14] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  00000390
       0000000000000030  0000000000000018   I      15    13     8
  [15] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00000148
       00000000000001b0  0000000000000018          16    13     8
  [16] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000002f8
       000000000000004f  0000000000000000           0     0     1
  [17] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000003c0
       00000000000000ac  0000000000000000           0     0     1

在.text段的上面出现了两个.group段，并且类型为从未见过的GROUP。GROUP类型的段是用来记录哪些段是相互关联的。

比如在本例中，函数模板中的static变量的位置在其专属的.rodata._ZZ3addIi段中，在之后的链接过程中，随着段的合并，其地址必然需要进行重定位。因此，该函数模板的具现化代码所在的段.text._Z3addIiEDcT_S0_也就需要一个与之匹配的重定位段.rela.text._Z3addIiEDcT_S0_。这两个段是密不可分的。如果这两个段中的一个被丢弃，或者两个段中的一个被另一个目标文件中的同名段代替，就会导致不正确的链接。为了避免这种情况的发生，编译器在产生目标文件时，用GROUP将这些段绑定在一起。而链接器将每个GROUP类型的section中记录的段都看作一个整体，要么全部包括，要么全部丢弃，不可分割。
使用readelf -g .group tem.o来查看GROUP section中的内容：

COMDAT group section [    1] `.group' [_ZZ3addIiEDcT_S0_E1s] contains 1 sections:
   [Index]    Name
   [    7]   .rodata._ZZ3addIiEDcT_S0_E1s

COMDAT group section [    2] `.group' [_Z3addIiEDcT_S0_] contains 2 sections:
   [Index]    Name
   [    8]   .text._Z3addIiEDcT_S0_
   [    9]   .rela.text._Z3addIiEDcT_S0_

其中COMDAT是GROUP节的Flag，目前有且仅有一种，也就是COMDAT。COMDAT表示这个group可能和另一个目标文件中的COMDAT group重复。当重复发生时，只有其中一个group可以被留下，其他都会被丢弃。

group当中的section必须有SHF_GROUP作为他们的sh_flags，如果链接器决定丢弃一个group，那么group中的所有成员就也将被丢弃。

当同一个模板的具现化出现在多个目标文件时，连接器就使用GROUP并配合其符号BIND来进行去重。

关于Section Group的更详细解释，见Section Groups - Oracle

函数级别链接

如果想要将所有的函数和数据像模板函数一样，放入自己专属的段中，我们可以使用gcc的编译选项:

-ffunction-sections
-fdata-sections
如果目标文件或这静态库在编译时使用了这两个编译选项，链接器再使用--gc-sections选项，就可以进行dead code elimination，去掉没有用到的代码，减少二进制膨胀。

例子1：

// unused.cpp
int unused_function(){
  return 1;
}
// main.cpp
int main(){
  return 0;
}

将main.cpp和unused.cpp使用-ffunction-sections和-fdata-sections编译得到可重定位文件后，查看其目标文件的段表，发现每个函数确实被放置在了其专属的段中。其中int unused_function()对应的段是.text._Z15unused_，int main()对应的段是.text.main

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .data             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 3] .bss              NOBITS           0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 4] .text._Z15unused_ PROGBITS         0000000000000000  00000040
       000000000000000f  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 5] .comment          PROGBITS         0000000000000000  0000004f
       0000000000000025  0000000000000001  MS       0     0     1
  [ 6] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  00000074
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [ 7] .note.gnu.propert NOTE             0000000000000000  00000078
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     8
  [ 8] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  00000098
       0000000000000038  0000000000000000   A       0     0     8
  [ 9] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  00000200
       0000000000000018  0000000000000018   I      10     8     8
  [10] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000000d0
       0000000000000108  0000000000000018          11    10     8
  [11] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000001d8
       0000000000000021  0000000000000000           0     0     1
  [12] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000218
       0000000000000082  0000000000000000           0     0     1
Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .data             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 3] .bss              NOBITS           0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 4] .text.main        PROGBITS         0000000000000000  00000040
       000000000000000f  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 5] .comment          PROGBITS         0000000000000000  0000004f
       0000000000000025  0000000000000001  MS       0     0     1
  [ 6] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  00000074
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [ 7] .note.gnu.propert NOTE             0000000000000000  00000078
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     8
  [ 8] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  00000098
       0000000000000038  0000000000000000   A       0     0     8
  [ 9] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  000001e8
       0000000000000018  0000000000000018   I      10     8     8
  [10] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  000000d0
       0000000000000108  0000000000000018          11    10     8
  [11] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000001d8
       000000000000000f  0000000000000000           0     0     1
  [12] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  00000200
       0000000000000072  0000000000000000           0     0     1

之后使用链接器，并加入-gc-setions选项来清除未用到的函数，使用-print-gc-sections来具体打印出哪些段被舍弃。

1	$ gcc -Wl,--gc-sections -Wl,--print-gc-sections -o unused_clean unused.o main.o

其中使用-Wl的目的是将后面的参数只传给链接器。运行后可以看到一些运行库的数据段和unused.o中的unused_function被舍弃了。

1
2
3

/usr/bin/ld: removing unused section '.rodata.cst4' in file '/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o'
/usr/bin/ld: removing unused section '.data' in file '/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/../../../x86_64-linux-gnu/Scrt1.o'
/usr/bin/ld: removing unused section '.text._Z15unused_functionv' in file 'unused.o'

例子二：

// unused.hpp
void print1();
void print2();

// unused.cpp
#include <cstdio>
void print1(){
  puts("USED");
}
void print2(){
  puts("UNUSED");
}

// main.cpp
#include "unused.hpp"
int main(){
  print1();
  return 0;
}

使用下面的编译选项编译后:

1 2	$ gcc -c -ffunction-sections -fdata-sections unused.cpp main.cpp $ gcc -Wl, -gc-sections -Wl, -print-gc-sections -o unused_literal unused.o main.o

查看生成的共项目标文件的.rodata，发现字符串字面量"UNUSED"依然存在，并没有被丢弃：

1
2
3

String dump of section '.rodata':
  [     0]  USED
  [     5]  UNUSED

这是因为-fdata-sections和[[gnu::section("name")]](__attribute__(section("name")))一样，只能用在某个有名字的标识符上。而字符串字面量则统一被放入.rodata段中。在本例中.rodata段中的字符串"USED"因为被函数print1()使用，因此.rodata没有被链接器丢弃，进而就使得"UNUSED"这个字符串保留了下来。为了修复这个问题，我们将这个两个字符串字面量初始化为某一个具名字符串即可。

#include <cstdio>
void print1(){
  const static char str[] = "USED";
  puts(str);
}
void print2(){
  const static char str[] = "UNUSED";
  puts(str);
}

检查编译后产生的目标文件，发现这两个字符串的确被放在了自己专属的段中了：

Section Headers:
  [Nr] Name              Type             Address           Offset
       Size              EntSize          Flags  Link  Info  Align
  [ 0]                   NULL             0000000000000000  00000000
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     0
  [ 1] .text             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 2] .data             PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 3] .bss              NOBITS           0000000000000000  00000040
       0000000000000000  0000000000000000  WA       0     0     1
  [ 4] .rodata._ZZ6print PROGBITS         0000000000000000  00000040
       0000000000000005  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 5] .text._Z6print1v  PROGBITS         0000000000000000  00000045
       0000000000000017  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 6] .rela.text._Z6pri RELA             0000000000000000  00000348
       0000000000000030  0000000000000018   I      15     5     8
  [ 7] .rodata._ZZ6print PROGBITS         0000000000000000  0000005c
       0000000000000007  0000000000000000   A       0     0     1
  [ 8] .text._Z6print2v  PROGBITS         0000000000000000  00000063
       0000000000000017  0000000000000000  AX       0     0     1
  [ 9] .rela.text._Z6pri RELA             0000000000000000  00000378
       0000000000000030  0000000000000018   I      15     8     8
  [10] .comment          PROGBITS         0000000000000000  0000007a
       0000000000000025  0000000000000001  MS       0     0     1
  [11] .note.GNU-stack   PROGBITS         0000000000000000  0000009f
       0000000000000000  0000000000000000           0     0     1
  [12] .note.gnu.propert NOTE             0000000000000000  000000a0
       0000000000000020  0000000000000000   A       0     0     8
  [13] .eh_frame         PROGBITS         0000000000000000  000000c0
       0000000000000058  0000000000000000   A       0     0     8
  [14] .rela.eh_frame    RELA             0000000000000000  000003a8
       0000000000000030  0000000000000018   I      15    13     8
  [15] .symtab           SYMTAB           0000000000000000  00000118
       00000000000001c8  0000000000000018          16    15     8
  [16] .strtab           STRTAB           0000000000000000  000002e0
       0000000000000067  0000000000000000           0     0     1
  [17] .shstrtab         STRTAB           0000000000000000  000003d8
       00000000000000c5  0000000000000000           0     0     1

链接后，可以发现.rodata这个section已经不存在了。

inline关键字

inline关键字的本意是提示编译器采用函数的内联替换而非进行函数调用。inline的该含义是非强制的，编译器可以对标注inline的函数不进行内联替换，也可以对不标注inline的函数进行内联替换。

inline关键字的另一个含义是

将函数声明为内联函数
将具有静态存储期的变量(即所有声明于命名空间作用域的对象和声明时带有static或extern关键字的对象)声明为内联变量
内联函数和内联变量有以下特点：
它们的定义必须在访问它们的翻译单元中可见
带有外部链接的内联函数和内联变量（比如不生命为static的）拥有下列属性：
- 他们可以在程序中拥有多于一次定义。但要求所有的定义都出现的不同的翻译单元且定义等同。（例如声明并定义在头文件中的inline函数可能被#include进多个翻译单元，进而使得其定义出现在多个翻译单元中。）
- 他们必须在每个翻译单元中都被声明为inline
- 他们在每个翻译单元中都有相同的地址

inline 变量

// iv.hpp
inline int x = 1;

// iv.cpp
#include <cstdio>
#include "iv.hpp"
void print_addr(){
  printf("%p\n", &x);
}

// main.cpp
#include <cstdio>
#include "iv.hpp"
int main(){
  printf("%p\n", &x);
}

编译上述文件，检查得到的可重定位文件的符号表，发现x的BIND类型为UNIQUE：

Symbol table '.symtab' contains 16 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
     1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS iv.cpp
     2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    2 
     3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
     4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
     5: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
     6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
     7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    9 
     8: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   10 
     9: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   11 
    10: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
    11: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
    12: 0000000000000000     4 OBJECT  UNIQUE DEFAULT    6 x
    13: 0000000000000000    35 FUNC    GLOBAL DEFAULT    2 _Z10print_addrv
    14: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
    15: 0000000000000000     0 NOTYPE  GLOBAL DEFAULT  UND printf

man nm:
The symbol is a unique global symbol. This is a GNU extension to the standard set of ELF symbol bindings. he symbol is a unique global symbol. This is a GNU extension to the standard set of ELF symbol bindings. For such a symbol the dynamic linker will make sure that in the entire process there is just one symbol with this name and type in use.

即链接器会保证在链接过程中，保留一个且仅有一个（因为是GLOBAL符号，不能舍弃）该符号。GNU正是依靠这个扩展实现了内联变量的特性。

inline关键字在变量上的引用使得将拥有全局变量的库打包成header only成为了可能。

inline 函数

__attribute__((noinline)) inline auto ilf(){
  const int i = 1;
  return i;
}

int main(){
  ilf();
  return 0;
}

编译上述文件，检查得到的可重定位文件的符号表，发现函数ilf()的符号类型为WEAK:

Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
  0: 0000000000000000     0 NOTYPE  LOCAL  DEFAULT  UND 
  1: 0000000000000000     0 FILE    LOCAL  DEFAULT  ABS inline_function.cc
  2: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    2 
  3: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    4 
  4: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    5 
  5: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    6 
  6: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    8 
  7: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    9 
  8: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT   10 
  9: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    7 
 10: 0000000000000000     0 SECTION LOCAL  DEFAULT    1 
 11: 0000000000000000    22 FUNC    WEAK   DEFAULT    6 _Z3ilfv
 12: 0000000000000000    20 FUNC    GLOBAL DEFAULT    2 main

根据WEAK符号的特点，链接器会在所有的翻译单元生成的_Z3ilfv当中选择一个，来满足inline函数在每个翻译单元中拥有相同的地址的特性。

Xuanyi Fu Blog

C++从源文件到可执行文件：静态链接

模板去重

函数级别链接

inline关键字

inline 变量

inline 函数