目錄

動態(tài)鏈接要解決什么問題？

矛盾：代碼段不可寫

解決矛盾：增加一層間接性

示例代碼

b.c

a.c

main.c

編譯成動態(tài)鏈接庫

動態(tài)庫的依賴關(guān)系

動態(tài)庫的加載過程

動態(tài)鏈接器加載動態(tài)庫

動態(tài)庫的加載地址分析

符號重定位

全局符號表

全局偏移表GOT

liba.so動態(tài)庫文件的布局

liba.so動態(tài)庫的虛擬地址

GOT表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

反匯編liba.so代碼

關(guān)于為什么使用動態(tài)鏈接，這里就不展開討論了，無非就幾點：

節(jié)省物理內(nèi)存;

可以動態(tài)更新;

動態(tài)鏈接要解決什么問題？

靜態(tài)鏈接得到的可執(zhí)行程序，被操作系統(tǒng)加載之后就可以執(zhí)行執(zhí)行。

因為在鏈接的時候，鏈接器已經(jīng)把所有目標(biāo)文件中的代碼、數(shù)據(jù)等Section，都組裝到可執(zhí)行文件中了。

并且把代碼中所有使用的外部符號(變量、函數(shù))，都進(jìn)行了重定位(即：把變量、函數(shù)的地址，都填寫到代碼段中需要重定位的地方)，因此可執(zhí)行程序在執(zhí)行的時候，不依賴于其它的外部模塊即可運行。

詳細(xì)的靜態(tài)鏈接過程，請參考上一篇文章：【圖片+代碼】：GCC 鏈接過程中的【重定位】過程分析。

也就是說：符號重定位的過程，是直接對可執(zhí)行文件進(jìn)行修改。

但是對于動態(tài)鏈接來說，在編譯階段，僅僅是在可執(zhí)行文件或者動態(tài)庫中記錄了一些必要的信息。

真正的重定位過程，是在這個時間點來完成的：可執(zhí)行程序、動態(tài)庫被加載之后，調(diào)用可執(zhí)行程序的入口函數(shù)之前。

只有當(dāng)所有需要被重定位的符號被解決了之后，才能開始執(zhí)行程序。

既然也是重定位，與靜態(tài)鏈接過程一樣：也需要把符號的目標(biāo)地址填寫到代碼段中需要重定位的地方。

矛盾：代碼段不可寫

問題來了!

我們知道，在現(xiàn)代操作系統(tǒng)中，對于內(nèi)存的訪問是有權(quán)限控制的，一般來說：

代碼段：可讀、可執(zhí)行;

數(shù)據(jù)段：可讀、可寫;

如果進(jìn)行符號重定位，就需要對代碼進(jìn)行修改(填寫符號的地址)，但是代碼段又沒有可寫的權(quán)限，這是一個矛盾！

解決這個矛盾的方案，就是Linux系統(tǒng)中動態(tài)鏈接器的核心工作！

解決矛盾：增加一層間接性

David Wheeler有一句名言:“計算機科學(xué)中的大多數(shù)問題，都可以通過增加一層間接性來解決?！?/p>

解決動態(tài)鏈接中的代碼重定位問題，同樣也可以通過增加一層間接性來解決。

既然代碼段在被加載到內(nèi)存中之后不可寫，但是數(shù)據(jù)段是可寫的。

在代碼段中引用的外部符號，可以在數(shù)據(jù)段中增加一個跳板：讓代碼段先引用數(shù)據(jù)段中的內(nèi)容，然后在重定位時，把外部符號的地址填寫到數(shù)據(jù)段中對應(yīng)的位置，不就解決這個矛盾了嗎？!

如下圖所示：

理解了上圖的解決思路，基本上就理解了動態(tài)鏈接過程中重定位的核心思想。

示例代碼

我們需要3個源文件來討論動態(tài)鏈接中重定位的過程：main.c、a.c、b.c，其中的a.c和b.c被編譯成動態(tài)庫，然后main.c與這兩個動態(tài)庫一起動態(tài)鏈接成可執(zhí)行程序。

它們之間的依賴關(guān)系是：

b.c

代碼如下：

?

#include 

int b = 30;

void func_b(void)
{
    printf("in func_b. b = %d 
", b);
}

?

代碼說明：

定義一個全局變量和一個全局函數(shù)，被 a.c 調(diào)用。

a.c

代碼如下(稍微復(fù)雜一些，主要是為了探索：不同類型的符號如何處理重定位)：

?

#include 

// 內(nèi)部定義【靜態(tài)】全局變量
static int a1 = 10;

// 內(nèi)部定義【非靜態(tài)】全局變量
int a2 = 20;

// 聲明外部變量
extern int b;

// 聲明外部函數(shù)
extern void func_b(void);

// 內(nèi)部定義的【靜態(tài)】函數(shù)
static void func_a2(void)
{
    printf("in func_a2 
");
}

// 內(nèi)部定義的【非靜態(tài)】函數(shù)
void func_a3(void)
{
    printf("in func_a3 
");
}

// 被 main 調(diào)用
void func_a1(void)
{
    printf("in func_a1 
");

    // 操作內(nèi)部變量
    a1 = 11;
    a2 = 21;

    // 操作外部變量
    b  = 31;

    // 調(diào)用內(nèi)部函數(shù)
    func_a2();
    func_a3();

    // 調(diào)用外部函數(shù)
    func_b();
}

?

代碼說明：

定義了 2 個全局變量：一個靜態(tài)，一個非靜態(tài)；

定義了 3 個函數(shù):

func_a2是靜態(tài)函數(shù)，只能在本文件中調(diào)用;

func_a1和func_a3是全局函數(shù)，可以被外部調(diào)用;

在 main.c 中會調(diào)用func_a1。

main.c

代碼如下：

?

#include 
#include 
#include 

// 聲明外部變量
extern int a2;
extern void func_a1();

typedef void (*pfunc)(void);

int main(void)
{
    printf("in main 
");

    // 打印此進(jìn)程的全局符號表
    void *handle = dlopen(0, RTLD_NOW);
    if (NULL == handle)
    {
        printf("dlopen failed! 
");
        return -1;
    }

    printf("
------------ main ---------------
");
    // 打印 main 中變量符號的地址
    pfunc addr_main = dlsym(handle, "main");
    if (NULL != addr_main)
        printf("addr_main = 0x%x 
", (unsigned int)addr_main);
    else
        printf("get address of main failed! 
");

    printf("
------------ liba.so ---------------
");
    // 打印 liba.so 中變量符號的地址
    unsigned int *addr_a1 = dlsym(handle, "a1");
    if (NULL != addr_a1)
        printf("addr_a1 = 0x%x 
", *addr_a1);
    else
        printf("get address of a1 failed! 
");

    unsigned int *addr_a2 = dlsym(handle, "a2");
    if (NULL != addr_a2)
        printf("addr_a2 = 0x%x 
", *addr_a2);
    else
        printf("get address of a2 failed! 
");

    // 打印 liba.so 中函數(shù)符號的地址
    pfunc addr_func_a1 = dlsym(handle, "func_a1");
    if (NULL != addr_func_a1)
        printf("addr_func_a1 = 0x%x 
", (unsigned int)addr_func_a1);
    else
        printf("get address of func_a1 failed! 
");

    pfunc addr_func_a2 = dlsym(handle, "func_a2");
    if (NULL != addr_func_a2)
        printf("addr_func_a2 = 0x%x 
", (unsigned int)addr_func_a2);
    else
        printf("get address of func_a2 failed! 
");

    pfunc addr_func_a3 = dlsym(handle, "func_a3");
    if (NULL != addr_func_a3)
        printf("addr_func_a3 = 0x%x 
", (unsigned int)addr_func_a3);
    else
        printf("get address of func_a3 failed! 
");


    printf("
------------ libb.so ---------------
");
    // 打印 libb.so 中變量符號的地址
    unsigned int *addr_b = dlsym(handle, "b");
    if (NULL != addr_b)
        printf("addr_b = 0x%x 
", *addr_b);
    else
        printf("get address of b failed! 
");

    // 打印 libb.so 中函數(shù)符號的地址
    pfunc addr_func_b = dlsym(handle, "func_b");
    if (NULL != addr_func_b)
        printf("addr_func_b = 0x%x 
", (unsigned int)addr_func_b);
    else
        printf("get address of func_b failed! 
");

    dlclose(handle);

    // 操作外部變量
    a2 = 100;

    // 調(diào)用外部函數(shù)
    func_a1();

    // 為了讓進(jìn)程不退出，方便查看虛擬空間中的地址信息
    while(1) sleep(5);
    return 0;
}

?

糾正：代碼中本來是想打印變量的地址的，但是不小心加上了 *，變成了打印變量值。最后檢查的時候才發(fā)現(xiàn)，所以就懶得再去修改了。

代碼說明：

利用 dlopen 函數(shù)(第一個參數(shù)傳入 NULL)，來打印此進(jìn)程中的一些符號信息(變量和函數(shù));

賦值給 liba.so 中的變量 a2，然后調(diào)用 liba.so 中的 func_a1 函數(shù);

編譯成動態(tài)鏈接庫

把以上幾個源文件編譯成動態(tài)庫以及可執(zhí)行程序：

?

$ gcc -m32 -fPIC --shared b.c -o libb.so
$ gcc -m32 -fPIC --shared a.c -o liba.so -lb -L./
$ gcc -m32 -fPIC main.c -o main -ldl -la -lb -L./

?

有幾點內(nèi)容說明一下：

-fPIC 參數(shù)意思是：生成位置無關(guān)代碼(Position Independent Code)，這也是動態(tài)鏈接中的關(guān)鍵;

既然動態(tài)庫是在運行時加載，那為什么在編譯的時候還需要指明?

因為在編譯的時候，需要知道每一個動態(tài)庫中提供了哪些符號。Windows 中的動態(tài)庫的顯性的導(dǎo)出和導(dǎo)入標(biāo)識，更能體現(xiàn)這個概念(__declspec(dllexport), __declspec(dllimport))。

此時，就得到了如下幾個文件：

動態(tài)庫的依賴關(guān)系

對于靜態(tài)鏈接的可執(zhí)行程序來說，被操作系統(tǒng)加載之后，可以認(rèn)為直接從可執(zhí)行程序的入口函數(shù)開始(也就是ELF文件頭中指定的e_entry這個地址)，執(zhí)行其中的指令碼。

但是對于動態(tài)鏈接的程序來說，在執(zhí)行入口函數(shù)的指令之前，必須把該程序所依賴的動態(tài)庫加載到內(nèi)存中，然后才能開始執(zhí)行。

對于我們的實例代碼來說：main程序依賴于liba.so庫，而liba.so庫又依賴于libb.so庫。

可以用ldd工具來分別看一下動態(tài)庫之間的依賴關(guān)系：

可以看出：

在 liba.so 動態(tài)庫中，記錄了信息：依賴于 libb.so;

在 main 可執(zhí)行文件中，記錄了信息：依賴于 liba.so, libb.so;

也可以使用另一個工具patchelf來查看一個可執(zhí)行程序或者動態(tài)庫，依賴于其他哪些模塊。例如：

那么，動態(tài)庫的加載是由誰來完成的呢？動態(tài)鏈接器！

動態(tài)庫的加載過程

動態(tài)鏈接器加載動態(tài)庫

當(dāng)執(zhí)行main程序的時候，操作系統(tǒng)首先把main加載到內(nèi)存，然后通過.interp段信息來查看該文件依賴哪些動態(tài)庫：

上圖中的字符串/lib/ld-linux.so.2，就表示main依賴動態(tài)鏈接庫。

ld-linux.so.2也是一個動態(tài)鏈接庫，在大部分情況下動態(tài)鏈接庫已經(jīng)被加載到內(nèi)存中了(動態(tài)鏈接庫就是為了共享)，操作系統(tǒng)此時只需要把動態(tài)鏈接庫所在的物理內(nèi)存，映射到 main進(jìn)程的虛擬地址空間中就可以了，然后再把控制權(quán)交給動態(tài)鏈接器。

動態(tài)鏈接器發(fā)現(xiàn)：main依賴liba.so，于是它就在虛擬地址空間中找一塊能放得下liba.so的空閑空間，然后把liba.so中需要加載到內(nèi)存中的代碼段、數(shù)據(jù)段都加載進(jìn)來。

當(dāng)然，在加載liba.so時，又會發(fā)現(xiàn)它依賴libb.so，于是又把在虛擬地址空間中找一塊能放得下libb.so的空閑空間，把libb.so中的代碼段、數(shù)據(jù)段等加載到內(nèi)存中，示意圖如下所示：

動態(tài)鏈接器自身也是一個動態(tài)庫，而且是一個特殊的動態(tài)庫：它不依賴于其他的任何動態(tài)庫，因為當(dāng)它被加載的時候，沒有人幫它去加載依賴的動態(tài)庫，否則就形成雞生蛋、蛋生雞的問題了。

動態(tài)庫的加載地址

一個進(jìn)程在運行時的實際加載地址(或者說虛擬內(nèi)存區(qū)域)，可以通過指令：$ cat /proc/[進(jìn)程的 pid]/maps 讀取出來。

例如：我的虛擬機中執(zhí)行main程序時，看到的地址信息是：

黃色部分分別是：main, liba.so, libb.so 這3個模塊的加載信息。

另外，還可以看到c庫(libc-2.23.so)、動態(tài)鏈接器(ld-2.23.so)以及動態(tài)加載庫libdl-2.23.so的虛擬地址區(qū)域，布局如下：

可以看出出來:main可執(zhí)行程序是位于低地址，所有的動態(tài)庫都位于4G內(nèi)存空間的最后1G空間中。

還有另外一個指令也很好用 $ pmap [進(jìn)程的 pid]，也可以打印出每個模塊的內(nèi)存地址：

符號重定位

全局符號表

在之前的靜態(tài)鏈接中學(xué)習(xí)過，鏈接器在掃描每一個目標(biāo)文件(.o文件)的時候，會把每個目標(biāo)文件中的符號提取出來，構(gòu)成一個全局符號表。

然后在第二遍掃描的時候，查看每個目標(biāo)文件中需要重定位的符號，然后在全局符號表中查找該符號被安排在什么地址，然后把這個地址填寫到引用的地方，這就是靜態(tài)鏈接時的重定位。

但是動態(tài)鏈接過程中的重定位，與靜態(tài)鏈接的處理方式差別就大很多了，因為每個符號的地址只有在運行的時候才能知道它們的地址。

例如：liba.so引用了libb.so中的變量和函數(shù)，而libb.so中的這兩個符號被加載到什么位置，直到main程序準(zhǔn)備執(zhí)行的時候，才能被鏈接器加載到內(nèi)存中的某個隨機的位置。

也就是說：動態(tài)鏈接器知道每個動態(tài)庫中的代碼段、數(shù)據(jù)段被加載的內(nèi)存地址，因此動態(tài)鏈接器也會維護(hù)一個全局符號表，其中存放著每一個動態(tài)庫中導(dǎo)出的符號以及它們的內(nèi)存地址信息。

在示例代碼main.c函數(shù)中，我們通過dlopen返回的句柄來打印進(jìn)程中的一些全局符號的地址信息，輸出內(nèi)容如下：

上文已經(jīng)糾錯過：本來是想打印變量的地址信息，但是 printf 語句中不小心加上了型號，變成了打印變量值。

可以看到：在全局符號表中，沒有找到liba.so中的變量a1和函數(shù)func_a2這兩個符號，因為它倆都是static類型的，在編譯成動態(tài)庫的時候，沒有導(dǎo)出到符號表中。

既然提到了符號表，就來看看這 3 個ELF文件中的動態(tài)符號表信息：

動態(tài)鏈接庫中保護(hù)兩個符號表：.dynsym(動態(tài)符號表: 表示模塊中符號的導(dǎo)出、導(dǎo)入關(guān)系) 和 .symtab(符號表: 表示模塊中的所有符號);

.symtab 中包含了 .dynsym;

由于圖片太大，這里只貼出 .dynsym 動態(tài)符號表。

綠色矩形框前面的Ndx列是數(shù)字，表示該符號位于當(dāng)前文件的哪一個段中(即：段索引);

紅色矩形框前面的Ndx列是UND，表示這個符號沒有找到，是一個外部符號(需要重定位);

全局偏移表GOT

在我們的示例代碼中，liba.so是比較特殊的，它既被main可執(zhí)行程序所依賴，又依賴于libb.so。

而且，在liba.so中，定義了靜態(tài)、動態(tài)的全局變量和函數(shù)，可以很好的概況很多種情況，因此這部分內(nèi)容就主要來分析liba.so這個動態(tài)庫。

前文說過：代碼重定位需要修改代碼段中的符號引用，而代碼段被加載到內(nèi)存中又沒有可寫的權(quán)限，動態(tài)鏈接解決這個矛盾的方案是：增加一層間接性。

例如：liba.so的代碼中引用了libb.so中的變量b，在liba.so的代碼段，并不是在引用的地方直接指向libb.so數(shù)據(jù)段中變量b的地址，而是指向了liba.so自己的數(shù)據(jù)段中的某個位置，在重定位階段，鏈接器再把libb.so中變量b的地址填寫到這個位置。

因為liba.so自己的代碼段和數(shù)據(jù)段位置是相對固定的，這樣的話，liba.so的代碼段被加載到內(nèi)存之后，就再也不用修改了。

而數(shù)據(jù)段中這個間接跳轉(zhuǎn)的位置，就稱作：全局偏移表(GOT: Global Offset Table)。

劃重點：

liba.so的代碼段中引用了libb.so中的符號b，既然b的地址需要在重定位時才能確定，那么就在數(shù)據(jù)段中開辟一塊空間(稱作：GOT表)，重定位時把b的地址填寫到GOT表中。

而liba.so的代碼段中，把GOT表的地址填寫到引用b的地方，因為GOT表在編譯階段是可以確定的，使用的是相對地址。

這樣，就可以在不修改liba.so代碼段的前提下，動態(tài)的對符號b進(jìn)行了重定位！

其實，在一個動態(tài)庫中存在 2 個GOT表，分別用于重定位變量符號(section名稱：.got)和函數(shù)符號( section 名稱：.got.plt)。

也就是說：所有變量類型的符號重定位信息都位于.got中，所有函數(shù)類型的符號重定位信息都位于.got.plt中。

并且，在一個動態(tài)庫文件中，有兩個特殊的段(.rel.dyn和.rel.plt)來告訴鏈接器：.got和.got.plt這兩個表中，有哪些符號需要進(jìn)行重定位，這個問題下面會深入討論。

liba.so動態(tài)庫文件的布局

為了更深刻的理解.got和.got.plt這兩個表，有必要來拆解一下liba.so動態(tài)庫文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

通過readelf -S liba.so指令來看一下這個ELF文件中都有哪些section:

可以看到：一共有28個section，其中的21、22就是兩個GOT表。

另外，從裝載的角度來看，裝載器并不是把這些sections分開來處理，而是根據(jù)不同的讀寫屬性，把多個section看做一個segment。

再次通過指令 readelf -l liba.so ，來查看一下segment信息:

也就是說：

這28個section中(關(guān)注綠色線條)：

section 0 ~ 16 都是可讀、可執(zhí)行權(quán)限，被當(dāng)做一個 segment;

section 17 ~ 24 都是可讀、可寫的權(quán)限，被動作另一個 segment;

再來重點看一下.got和.got.plt這兩個section(關(guān)注黃色矩形框)：

可見：.got和.got.plt與數(shù)據(jù)段一樣，都是可讀、可寫的，所以被當(dāng)做同一個 segment被加載到內(nèi)存中。

通過以上這2張圖(紅色矩形框)，可以得到liba.so動態(tài)庫文件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下：

liba.so動態(tài)庫的虛擬地址

來繼續(xù)觀察liba.so文件segment信息中的AirtAddr列，它表示的是被加載到虛擬內(nèi)存中的地址，重新貼圖如下：

因為編譯動態(tài)庫時，使用了代碼位置無關(guān)參數(shù)(-fPIC)，這里的虛擬地址從0x0000_0000開始。

當(dāng)liba.so的代碼段、數(shù)據(jù)段被加載到內(nèi)存中時，動態(tài)鏈接器找到一塊空閑空間，這個空間的開始地址，就相當(dāng)于一個基地址。

liba.so中的代碼段和數(shù)據(jù)段中所有的虛擬地址信息，只要加上這個基地址，就得到了實際虛擬地址。

我們還是把上圖中的輸出信息，畫出詳細(xì)的內(nèi)存模型圖，如下所示：

GOT表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了liba.so庫的文件布局，也知道了它的虛擬地址，此時就可以來進(jìn)一步的看一下.got和.got.plt這兩個表的內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。

從剛才的圖片中看出：

.got 表的長度是 0x1c，說明有 7 個表項(每個表項占 4 個字節(jié));

.got.plt 表的長度是 0x18，說明有 6 個表項;

上文已經(jīng)說過，這兩個表是用來重定位所有的變量和函數(shù)等符號的。

那么：liba.so通過什么方式來告訴動態(tài)鏈接器：需要對.got和.got.plt這兩個表中的表項進(jìn)行地址重定位呢？

在靜態(tài)鏈接的時候，目標(biāo)文件是通過兩個重定位表.rel.text和.rel.data這兩個段信息來告訴鏈接器的。

對于動態(tài)鏈接來說，也是通過兩個重定位表來傳遞需要重定位的符號信息的，只不過名字有些不同：.rel.dyn和.rel.plt。

通過指令 readelf -r liba.so來查看重定位信息：

從黃色和綠色的矩形框中可以看出：

liba.so 引用了外部符號 b，類型是 R_386_GLOB_DAT，這個符號的重定位描述信息在 .rel.dyn 段中;

liba.so 引用了外部符號 func_b, 類型是 R_386_JUMP_SLOT，這個符號的重定位描述信息在 .rel.plt 段中;

從左側(cè)紅色的矩形框可以看出：每一個需要重定位的表項所對應(yīng)的虛擬地址，畫成內(nèi)存模型圖就是下面這樣：

暫時只專注表項中的紅色部分：.got表中的b, .got.plt表中的func_b，這兩個符號都是libb.so中導(dǎo)出的。

也就是說：

liba.so的代碼中在操作變量b的時候，就到.got表中的0x0000_1fe8這個地址處來獲取變量b的真正地址；

liba.so的代碼中在調(diào)用func_b函數(shù)的時候，就到.got.plt表中的0x0000_200c這個地址處來獲取函數(shù)的真正地址；

反匯編liba.so代碼

下面就來反匯編一下liba.so，看一下指令碼中是如何對這兩個表項進(jìn)行尋址的。

執(zhí)行反匯編指令：$ objdump -d liba.so，這里只貼出func_a1函數(shù)的反匯編代碼：

第一個綠色矩形框(call 490 <__x86.get_pc_thunk.bx>)的功能是：把下一條指令(add)的地址存儲到%ebx中，也就是：

?

%ebx = 0x622

?

然后執(zhí)行: add $0x19de,%ebx，讓%ebx加上0x19de，結(jié)果就是：%ebx = 0x2000。

0x2000正是.got.plt表的開始地址！

看一下第2個綠色矩形框：

mov -0x18(%ebx),%eax: 先用%ebx減去0x18的結(jié)果，存儲到%eax中，結(jié)果是：%eax = 0x1fe8，這個地址正是變量b在.got表中的虛擬地址。

movl $0x1f,(%eax)：在把0x1f(十進(jìn)制就是31)，存儲到0x1fe8表項中存儲的地址所對應(yīng)的內(nèi)存單元中(libb.so的數(shù)據(jù)段中的某個位置)。

因此，當(dāng)鏈接器進(jìn)行重定位之后，0x1fe8表項中存儲的就是變量b的真正地址，而上面這兩步操作，就把數(shù)值31賦值給變量b了。

第3個綠色矩形框，是調(diào)用函數(shù)func_b，稍微復(fù)雜一些，跳轉(zhuǎn)到符號 func_b@plt的地方，看一下反匯編代碼：

jmp指令調(diào)用了%ebx + 0xc處的那個函數(shù)指針，從上面的.got.plt布局圖中可以看出，重定位之后這個表項中存儲的正是func_b函數(shù)的地址(libb.so中代碼段的某個位置)，所以就正確的跳轉(zhuǎn)到該函數(shù)中了。