一次意外的 hello world 探索之旅

1. 问题描述

C 语言编写 hello world如下:

#include &lt;stdio.h&gt;
int main()
{
    printf("Hello\n");
    return 0;
}

#include <stdio.h>

int main()

{

printf("Hello\n");

return 0;

}

编译之后，发现在 debian testing 下生成的二进制文件过大（约17KB）

Distro	Release	GCC Version	LD Version	Libc Version	ABI	FileSize
Debian	buster	7.4.0/8.2.0	2.31.1	2.28-5	3.2.0	17 KB
Debian	stretch	6.3.0-18	2.28	2.24-11	2.6.32	8.5 KB
Ubuntu	18.04	7.3.0	2.30	2.27-3	3.2.0	8.2 KB
Arch	2019.01	8.2.1	2.32.1	2.28-5	3.2.0	17KB

2. 排查过程

2.1 检查 gcc 优化级别、尝试 strip 移除符号

不同的 gcc -O 优化级别对 ELF 文件大小基本无影响，问题未解决
strip 移除符号，文件体积大概减少 2KB，问题未解决

2.2 比较 ELF 头部

使用 readelf、nm、objdump 等工具对比 ELF 文件信息，甚至使用了 010 editor 查看文件内容
下面列一下对两个文件执行 readelf -S 的输出，左侧为 debian stretch 下编译的 8.5KB 小文件，右侧为 debian buster 下编译的 17KB 大文件。
可以看出来的是，右侧文件很多section 都以 4096(0x1000) 为长度进行了对齐，链接器似乎是问题的关键
file

2.3 排查 ld 的问题

1) 使用 gcc -c 或者 nasm 编译汇编，生成中间文件 .o

cat &gt; hello.asm &lt;&lt; 'EOF'
                     use64
stdout            equ     1
syscall_write  equ     1
syscall_exit    equ     60

section .data
hello           db  'Hello, world!', 10
hello_len     equ $-hello

section .text
                global _start

_start:
                mov rax, syscall_write
                mov rdi, stdout
                mov rsi, hello
                mov rdx, hello_len
                syscall

                mov rax, syscall_exit
                mov rdi, 0
                syscall
EOF

# 使用 nasm 编译汇编代码，生成中间文件
nasm -f elf64 -o hello.o hello.asm

cat > hello.asm << 'EOF'

use64

stdout equ 1

syscall_write equ 1

syscall_exit equ 60

section .data

hello db 'Hello, world!', 10

hello_len equ $-hello

section .text

global _start

_start:

mov rax, syscall_write

mov rdi, stdout

mov rsi, hello

mov rdx, hello_len

syscall

mov rax, syscall_exit

mov rdi, 0

syscall

EOF

# 使用 nasm 编译汇编代码，生成中间文件

nasm -f elf64 -o hello.o hello.asm

随后使用 ld hello.o 对文件进行链接，发现在 debian buster 和 debian stretch 下的文件大小分别为 9 KB 和 1.1 KB

2) 检查链接过程
使用命令 ld --verbose hello.o，输出详细的链接过程信息，并对比不同系统下的输出，发现一些明显不同的地方（右侧为 ld 2.31 的输出）
file

3）改变 ld align 参数
参考链接：https://stackoverflow.com/questions/15400910/ld-linker-script-producing-huge-binary

方案一： ld --nmagic(-n）或者 ld --omagic(-N)
实际测试表明，使用 -n/-N 参数，可以将汇编写的hello.asm文件体积控制在1KB左右，同时 ELF 二进制文件正常运行；
但是，文档说这个参数会禁用动态链接，将此参数通过 gcc 传递给 ld 链接 C 库时确实发生了错误：

gcc hello.c -Xlinker -n   # 或 gcc hello.c -Wl,-n
# 输出如下：
/usr/bin/ld: cannot find -lgcc_s
/usr/bin/ld: cannot find -lgcc_s
collect2: error: ld returned 1 exit status）

gcc hello.c -Xlinker -n # 或 gcc hello.c -Wl,-n

# 输出如下：

/usr/bin/ld: cannot find -lgcc_s

collect2: error: ld returned 1 exit status）

方案二：gcc -z max-page-size=0x1000
实际测试结果：
debian buster 上 ELF 文件体积无显著变化，减小该值 ELF 二进制无法运行；增大该值，ELF 正常运行，文件体积增大 (系统PAGESIZE大小： getconf PAGESIZE ==> 4096）
debian stable 上减少该值 ELF 文件体积稍微减小，低于一定数值ELF二进制文件则无法运行; 增大该值，文件体积不变 (系统PAGESIZE大小：getconf PAGESIZE=4096）
方案三：使用 gold 替代 ld
手动使用 gold 进行链接，或者 gcc hello.c -fuse-ld=gold , 在 debian buster 上文件大小为 7.8 KB，ELF 文件正常运行
备注：系统里 gold 版本同 ld；使用 gcc -fuse-ld=bfd即可使用默认的 ld

2.4 最终的答案

Binutils 2.31 will enable -z separate-code by default for x86 to avoid
mixing code pages with data to improve cache performance as well as
security. To reduce x86-64 executable and shared object sizes, the
maximum page size is reduced from 2MB to 4KB. But x86-64 kernel must
be aligned to 2MB. Pass -z max-page-size=0x200000 to linker to force
2MB page size regardless of the default page size used by linker.

Tested with Linux kernel 4.15.6 on x86-64.

参考链接：https://lore.kernel.org/patchwork/patch/934898/

这段话说的很明白了，因此如果我们想要获得较小体积的二进制文件，同时又不能减小 max-page-size 的话(上述实验可知，不合适的max-page-size会导致链接后的程序无法运行)，我们可以选择关闭 separate-code 选项；因此最终解决方案如下：
gcc hello.c -z noseparate-code

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2.3 排查 ld 的问题

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always alone……

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