Linux下动态链接实现原理

符号重定位

讲动态链接之前，得先说说符号重定位。C/C++ 程序的编译是以文件为单位进行的，因此每个 c/cpp 文件也叫作一个编译单元（translation unit）, 源文件先是被编译成一个个目标文件, 再由链接器把这些目标文件组合成一个可执行文件或库，链接的过程，其核心工作是解决模块间各种符号（变量，函数）相互引用的问题，对符号的引用本质是对其在内存中具体地址的引用，因此确定符号地址是编译，链接，加载过程中一项不可缺少的工作，这就是所谓的符号重定位。因为编译是以源文件为单位进行的，编译器此时并没有一个全局的视野，因此对一个编译单元内的符号它是无力确定其最终地址的，而对于可执行文件来说，在现代操作系统上，程序加载运行的地址是固定或可以预期的，因此在链接时，链接器可以直接计算分配该文件内各种段的绝对或相对地址，所以对于可执行文件来说，符号重定位是在链接时完成的，但对动态链接库来说，因为动态库的加载是在运行时，且加载的地址不固定，因此没法事先确定该模块的起始地址，所以对动态库的符号重定位，只能推迟。符号重定位既指在当前目标文件内进行重定位，也包括在不同目标文件，甚至不同模块间进行重定位，这里面有什么不同吗？如果是同一个目标文件内，或者在同一个模块内，链接后，各个符号的相对地址就已经确定了，看起来似乎不用非得要知道最后的绝对地址才能引用这些符号，这说起来好像也有道理，但事实不是这样，x86 上 mov 之类访问程序中数据段的指令，它要求操作数是绝对地址，而对于函数调用，虽然是以相对地址进行调用，但计算相对地址也只限于在当前目标文件内进行，跨目标文件跨模块间的调用，编译期也是做不到的，只能等链接时或加载时才能进行相对地址的计算，因此重定位这个过程是不能缺少的，事实上目前来说，对于动态链接即使是当前目标文件内，如果是全局非静态函数，那么它也是需要进行重定位的，当然这里面有别的原因，比如说使得能实现 LD_PRELOAD 的功能等。

链接时符号重定位

链接时符号重定位指的是在链接阶段对符号进行重定位，一般来说，构建一个可执行文件可以简单分为两个步骤：编译及链接，如下例子，我们尝试使用静态链接的方式构建一个可执行文件：

// file: a.cint g_share = 1;int g_func（int a）{ g_share += a; return a * 3;}// file: main.cextern int g_share;extern int g_func（int a）;int main（）{int a = 42;a = g_func（a）;return 0;}

正如前面所说，此时符号的重定位在链接时进行，那么在编译时，编译器是怎么生成代码来引用那些还没有重定位的符号呢？让我们先编译一下，再来看看目标文件的内容：// x86_64, linux 2.6.9-bash-3.00$ gcc -c a.c main.c -g-bash-3.00$ objdump -S a.o然后得到如下输出（对于 main.o 中对 g_func 的引用，实现是一样的，故略）：

a.o: file format elf64-x86-64Disassembly of section .text:0000000000000000 <g_func>:int g_share = 1;int g_func（int a）{ 0: 55push %rbp 1: 48 89 e5mov%rsp,%rbp 4: 89 7d fcmov%edi,0xfffffffffffffffc（%rbp）g_share += a; 7: 8b 45 fcmov0xfffffffffffffffc（%rbp）,%eax a: 01 05 00 00 00 00 add%eax,0（%rip）# 10 <g_func+0x10>return a * 2;10: 8b 45 fcmov0xfffffffffffffffc（%rbp）,%eax13: 01 c0 add%eax,%eax}15: c9leaveq16: c3retq

从中可以看到，目标文件里的 .txt 段地址从 0 开始，其中地址为7的指令用于把参数 a 放到寄存器 %eax 中，而地址 a 处的指令则把 %eax 中的内容与 g_share 相加，注意这里 g_share 的地址为：0（%rip）. 显然这个地址是错的，编译器当前并不知道 g_share 这个变量最后会被分配到哪个地址上，因此在这儿只是随便用一个假的来代替，等着到接下来链接时，再把该处地址进行修正。那么，链接器怎么知道目标文件中哪些地方需要修正呢？很简单，编译器编译文件时时，会建立一系列表项，用来记录哪些地方需要在重定位时进行修正，这些表项叫作“重定位表”（relocatioin table）：-bash-3.00$ objdump -r a.o

a.o: file format elf64-x86-64RELOCATION RECORDS FOR [.text]:OFFSET TYPEVALUE000000000000000c R_X86_64_PC32 g_share+0xfffffffffffffffc

如上最后一行，这条记录记录了在当前编译单元中，哪儿对 g_share 进行了引用，其中 offset 用于指明需要修改的位置在该段中的偏移，TYPE 则指明要怎样去修改，因为 cpu 的寻址方式不是唯一的，寻址方式不同，地址的形式也有所不同，这个 type 用于指明怎么去修改, value 则是配合 type 来最后计算该符号地址的。有了如上信息，链接器在把目标文件合并成一个可执行文件并分配好各段的加载地址后，就可以重新计算那些需要重定位的符号的具体地址了, 如下我们可以看到在可执行文件中，对 g_share（0x40496处）, g_func（0x4047a处）的访问已经被修改成了具体的地址：-bash-3.00$ gcc -o am a.o main.o-bash-3.00$ objdump -S am

// skip some of the ouput extern int g_func（int a）;int main（）{400468: 55push %rbp400469: 48 89 e5mov%rsp,%rbp40046c: 48 83 ec 10 sub$0x10,%rspint a = 42;400470: c7 45 fc 2a 00 00 00movl $0x2a,0xfffffffffffffffc（%rbp）a = g_func（a）;400477: 8b 7d fcmov0xfffffffffffffffc（%rbp）,%edi40047a: e8 0d 00 00 00callq40048c <g_func>40047f: 89 45 fcmov%eax,0xfffffffffffffffc（%rbp）return 0;400482: b8 00 00 00 00mov$0x0,%eax}400487: c9leaveq400488: c3retq400489: 90nop40048a: 90nop40048b: 90nop000000000040048c <g_func>:int g_share = 1;int g_func（int a）{40048c: 55push %rbp40048d: 48 89 e5mov%rsp,%rbp400490: 89 7d fcmov%edi,0xfffffffffffffffc（%rbp）g_share += a;400493: 8b 45 fcmov0xfffffffffffffffc（%rbp）,%eax400496: 01 05 dc 03 10 00 add%eax,1049564（%rip）# 500878 <g_share>return a * 2;40049c: 8b 45 fcmov0xfffffffffffffffc（%rbp）,%eax40049f: 01 c0 add%eax,%eax}4004a1: c9leaveq4004a2: c3retq// skip some of the ouput

当然，重定位时修改指令的具体方式还牵涉到比较多的细节很啰嗦，这里就不细说了。

加载时符号重定位

前面描述了静态链接时，怎么解决符号重定位的问题，那么当我们使用动态链接来构建程序时，这些符号重定位问题是怎么解决的呢？目前来说，Linux 下 ELF 主要支持两种方式：加载时符号重定位及地址无关代码。地址无关代码接下来会讲，对于加载时重定位，其原理很简单，它与链接时重定位是一致的，只是把重定位的时机放到了动态库被加载到内存之后，由动态链接器来进行。

int g_share = 1;int g_func（int a）{g_share += a;return a * 2;}int g_func2（）{int a = 2;int b = g_func（3）;return a + b;}

// compile on 32bit linux OS-bash-3.00$ gcc -c a.c main.c-bash-3.00$ gcc -shared -o liba.so a.o-bash-3.00$ gcc -o am main.o -L. -la-bash-3.00$ objdump -S liba.so

// skip some of the output000004f4 <g_func>:int g_share = 1;int g_func（int a）{ 4f4:55 push %ebp 4f5:89 e5mov%esp,%ebpg_share += a; 4f7:8b 45 08 mov0x8（%ebp）,%eax 4fa:01 05 00 00 00 00add%eax,0x0return a * 2; 500:8b 45 08 mov0x8（%ebp）,%eax 503:d1 e0shl%eax} 505:c9 leave 506:c3 ret00000507 <g_func2>:int g_func2（）{ 507:55 push %ebp 508:89 e5mov%esp,%ebp 50a:83 ec 08 sub$0x8,%espint a = 2; 50d:c7 45 fc 02 00 00 00 movl $0x2,0xfffffffc（%ebp）int b = g_func（3）; 514:6a 03push $0x3 516:e8 fc ff ff ff call 517 <g_func2+0x10> 51b:83 c4 04 add$0x4,%esp 51e:89 45 f8 mov%eax,0xfffffff8（%ebp）return a + b; 521:8b 45 f8 mov0xfffffff8（%ebp）,%eax 524:03 45 fc add0xfffffffc（%ebp）,%eax} 527:c9 leave// skip some of the output

注意其中地址 4fa 及 516 处的指令：此两处分别对 g_share 及 g_func 进行了访问，显然此时它们的地址仍然是假地址，这些地址在动态库加载完成后会被动态链接器进行重定位，最终修改为正确的地址，这看起来与静态链接时进行重定位是一样的过程，但实现上有几个关键的不同之处：

因为不允许对可执行文件的代码段进行加载时符号重定位，因此如果可执行文件引用了动态库中的数据符号，则在该可执行文件内对符号的重定位必须在链接阶段完成，为做到这一点，链接器在构建可执行文件的时候，会在当前可执行文件的数据段里分配出相应的空间来作为该符号真正的内存地址，等到运行时加载动态库后，再在动态库中对该符号的引用进行重定位：把对该符号的引用指向可执行文件数据段里相应的区域。
ELF 文件对动态库中的函数调用采用了所谓的"延迟绑定”（lazy binding）, 动态库中的函数在其第一次调用发生时才去查找其真正的地址，因此我们不需要在调用动态库函数的地方直接填上假的地址，而是使用了一些跳转地址作为替换，这里先不细说。

至此，我们可以发现加载时重定位实际上是一个重新修改动态库代码的过程，但我们知道，不同的进程即使是对同一个动态库也很可能是加载到不同地址上，因此当以加载时重定位的方式来使用动态库时，该动态库就没法做到被各个进程所共享，而只能在每个进程中 copy 一份：因为符号重定位后，该动态库与在别的进程中就不同了，可见此时动态库节省内存的优势就不复存在了。更多详情见请继续阅读下一页的精彩内容： http://www.linuxidc.com/Linux/2015-03/114572p2.htm