3.12 二进制文件格式

  要理解为什么 FreeBSD 使用 elf(5) 格式, 您必须首先了解一些 UNIX® 系统中的 三种 “主要” 可执行文件格式的有关知识:

  FreeBSD从“经典”阵营中来,因此使用了a.out(5)格式, 众多BSD版本的发行(直到3.X分支的开始)也证明了这种格式的有效性。 虽然在那以前的某段时间,在FreeBSD系统上创建和运行ELF格式 的二进制可执行文件(和内核)也是可能的,但FreeBSD一开始并不积极“进步” 到使用ELF作为其缺省的格式。为什么?噢,当Linux阵营完成了 转换到ELF格式的痛苦历程后,却发现并不足以由此而放弃 a.out可执行文件格式,因为正是由于它们不灵活的, 基于跳转表的共享库机制,使得销售商和开发者们构建共享库非常困难。 直到已有的ELF工具提供了一种解决共享库问题的办法, 并被普遍认为是“前进方向”以后,迁徙的代价在FreeBSD界才被接受, 并由此完成了迁徙。FreeBSD的共享库机制其基础更类似于Sun SunOS™的共享库机制, 并且正因为此,其易用性很好。

  那么,为什么会有这么多不同的格式呢?

  回溯到蒙昧和黑暗的过去,那时只有简单的硬件。这种简单的硬件支撑了一个简单 和小型的系统。在这样的简单系统上(PDP-11)a.out格式 足以胜任表达二进制文件的任务。当人们将UNIX从这种简单的系统中移植出来的时候, a.out格式被保留了下来,因为对于早期将UNIX移植到 Motorola 68k,VAXen等系统来说,它还是足够可用的。

  然后,一些聪明的硬件工程师认为,如果可以让软件完成一些简单的聪明操作, 那么他们就可以在硬件设计中减少若干门电路,并可以让CPU核心运行得更快。 当a.out格式用于这种新型的硬件系统时(现在我们叫它 RISC),显得并不合适。因此,人们设计了许多新的格式 以便在这样的硬件系统上能获得比简单的a.out格式更优越 的性能。诸如COFFECOFF,还有其它 一些晦涩难懂的格式正是在这个阶段被发明出来的,人们也研究了这些格式的局限性, 慢慢地最终落实到ELF格式。

  同时,程序的大小变得越来越大,磁盘空间(以及物理内存)相对来说却仍然较小, 因此共享库的概念便产生了。VM系统也变得越来越复杂了。当所有这些进步都建立在 a.out格式的基础上的时候,它的可用性随着每个新特性 的产生就受到了严重考验。并且,人们还希望可以在运行时动态装载某些东西,或者 在初始化代码运行以后可以丢弃部分程序代码,以便节约主存储器和交换区。编程语言 也变得越来越复杂,人们希望可以在main()函数执行之前自动执行某些代码。为了实现 所有这些功能,人们对a.out格式作了很多改动(hack), 他们在某个阶段里基本也是可行的。随着时间的推移,a.out格式 不得不增加大量的代码和复杂度来满足这些需求。虽然ELF格式 解决了许多这样的问题,但是从一个可用的系统迁移到另一个系统却是痛苦的。因此 直到继续保留a.out格式的代价比迁移到ELF格式 的代价还大的时候,人们才会最终转换到ELF格式。

  然而,随着时间的推移,FreeBSD系统本身的编译工具(特别是汇编器和装载器) 赖以派生的编译工具,其发展却形成了两个平行的分支。FreeBSD这个分支增加了共享库, 并修改了一些错误。而原先编写了这些工具的GNU人则重写了这些工具,并对交叉编译提供了 更简化的支持,还随意插入了不同格式的支持,等等。虽然很多人希望创建针对FreeBSD的 交叉编译器,但他们却并未如愿以偿,因为FreeBSD的asld的源代码更为老旧,所以无法完成这个任务。 新的GNU工具链(binutils)则确实支持交叉编译,ELF 格式,共享库,C++扩展,等等。并且,由于很多供应商都发布ELF格式的 二进制文件,因而让FreeBSD能够运行它们将是一个很好的事情。

  ELF格式比a.out格式开销要大些,同时也 允许基础系统有更好的扩展性。ELF格式的有关工具有着更好的维护, 并且提供交叉编译支持,这对许多人来说是很重要的。ELF格式可能会稍微 慢一些,但很难测量出来。另外,在这两者之间,有许多细节也是不同的,比如它们映射页面的方式, 处理初始化代码的方式,等等。所有这些都不太重要,但这也确实是不同之处。在将来的适当时候, GENERIC内核将不再支持a.out格式,并且, 当不再需要运行遗留的a.out格式程序时,内核也将不再提供对其的支持。

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