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  • 1. 动态链接技术的诉求来源 静态链接:从目标文件到可执行文件,将所需的所有的模板链接,最终生成单一的可执行文件模块; 动态链接:单一的可执行文件模块被拆分成若干个模块,在程序运行过程中动态进行链接的...

    1. 动态链接技术的诉求来源

    静态链接:从目标文件到可执行文件,将所需的所有的模板链接,最终生成单一的可执行文件模块;
    动态链接:单一的可执行文件模块被拆分成若干个模块,在程序运行过程中动态进行链接的方案。

    静态链接可以使得开发者可以专注地开发自己的程序模块,但随着程序规模的增大,静态链接的一次性链接装配存在浪费内存和磁盘空间、模块更新困难等问题。甚至说基本的字符串公用库函数,每个程序内部处理都要保留一份printf(),scanf(),strlen()等函数,还有数量可观的其他库函数及它们所需要的辅助数据结构。一个普通C程序光用到的C语言静态库就至少有1MB以上,那么如果我们的机器运行着100个这样的程序,浪费空间可以达到100MB。Linux操作系统不像Windows那样吃机器,甚至很低配置的机器运行Linux也很流畅,这是得益于Linux很讲究内存空间效率的极致使用,锱铢必较。

    程序开发和发布时,如果采用静态链接,则一旦程序中任何模块有更新,由于静态链接的文件就如同早期的整版木刻印刷版,哪怕改一个字,也得重刻一版,同样静态链接需要将改后后的程序重新链接、发布给用户,即哪怕再小的更新,用户都需要重新下载一次。在早期的网速较慢的年底,这种动辄整体回退的做法,显然不能忍。故而把文件根据功能分成若干模块,链接过程推迟到程序运行时再进行,这便是动态链接的基本思想。显然模块分得越细粒度,模块间的耦合度越小,则更改起来的要变动的部分便越少。

    此外分模块的做法,还让程序间共享模块得以实现,否则每个程序都需要一套C语言stdio.h的独立拷贝。共享模块的好处不仅可以节省内存,还可以减少物理页面的换入换出(减少IO),也可以增加CPU缓存命中率,因为不同进程可能都集中采用了一个共享模块。故而对于动态链接,升级只需要将旧的目标文件覆盖掉即可。动态链接可以使得开发过程中各个模块更加独立,耦合度更小。ELF程序在静态链接下要比动态链接快5%左右,但是采用动态链接节省了磁盘空间和内存空间,并且程序模块升级更便捷。

    简而言之,动态链接便是模块化编程的真正贯彻,虽然管理起来略微繁琐,但是可实现内存空间效率和操作时间效率的双赢。

    2. Linux动态链接的实现

    动态链接涉及运行时链接多个文件,涉及到整个进程的虚拟空间的地址分配和布置,比静态链接的确定性定位排布而言,动态链接中有诸多的地址引用需要到运行时才能确定,此外还涉及到存储管理、内存共享、多线程等机制。故而动态链接需要操作系统支持。目前Linux支持的共享动态文件.so,Windows支持.dll插件型动态链接库。

    静态链接是在将程序装载进虚拟空间之前便完成了所有程序文件的链接,而动态链接是在程序装载进虚拟空间串联式实时装载的,即链接和装载同步进行。比如当前主程序文件maincontent.c引用某个外部库的函数foobar(),则动态链接器会将maincontent.c内对foobar()的引用标记为一个动态链接的符号,不在链接阶段对它进行地址重定位,而把这个过程推迟到主程序文件装载进虚拟进程空间时才进行。至于maincontent.c中如何声明foobar()为外部动态链接符号,则便涉及到了符号导入表等机制。不过既然说到了链接阶段不进行地址重定位,而是将符号引用地址定位推迟到装载时,那么便接着介绍下装载时重定位。

    3. 装载时重定位

    任何文件要被装载进虚拟进程空间,是需要有个装载地址的,显然主程序文件被装载进虚拟进程空间时是没有人和它争的,而其他动态链接库装载时,则可能出现装载地址冲突的问题。

    显然为每个贡献库模块指定固定载入地址,是会严重限制程序升级,甚至导致模块间出现地址冲突。这种做法被称作静态共享库(不是静态库),它的做法是将多种模块统一交给OS,让OS在特定的地址范围内划分出足够的空间预留给这些已知模块。因为静态共享库存在足够先天设计的弊病,导致这种设计很少见,已经被动态链接彻底取代。

    换个说法:.so对象在编译时不能假设自己在进程虚拟空间中的位置,但是可执行文件可以唯一确定自己的起始位置,因为可执行文件往往是第一个被加载的文件,它可以选择一个固定空闲的地址,如Linux下一般是0x08040000,Windows下一般是0x00400000所以对于共享对象文件而言是存在一个所谓“装载时所有地址引用重定位”的需求。那么该如何实现这种重定位目的呢?

    装载时重定位便是针对这个目的的一个直接方法:根据共享对象在装载时的真正位置,遍历文件中所有的绝对地址引用,不过由于整个共享对象是作为一个整体被加载的,故而程序中指令和数据的相对位置是不会变的,如果一个共享对象文件被编译时先预设自己的装载位置为0x1000,但在装载时被分配到0x4000,则程序文件中所有绝对地址引用只需要加上0x3000的整体偏移量即可。

    装载时重定位可以解决动态模块中有绝对地址引用的情况,但是它最大的缺点是在内存中的指令部门将因为绝对地址修改导致在多个进程间无法共享,并不节省内存,只节省了磁盘空间,并不节省内存空间。

    4. 地址无关代码

    我们的目的是尽可能让共享模块中的指令集尽可能被复用,显然这些复用的指令集合是不需受装载地址影响的。所以实现思路是将把指令中需要被修改的部分分离出来,跟需要被修改的RW数据段放在一起,这些RW权限的段是每个进程都需要有一个副本的,而RX权限的纯无需修改.code段则可以被复用,这种技术成为地址无关代码(PIC, Position-independent Code)。也是Linux区别于Windows的一个重要特征。

    显然地址无关技术增加对程序的遍历编译次数,故而在前期编译阶段Linux要花费更多的时间用于区分代码中的装载地址无关性代码和相关性代码。而Windows则采用的是一种所谓的基地址重定位技术,其实和装载时重定位并无本质区别,但是会导致共享对象文件的指令集合一旦出现绝对地址引用并无法共享的结果,这也是为什么说Linux比Windows在某些方面要小家子气。

    5. 共享对象模块的代码段地址无关性处理

    现将共享对象模块的代码段中地址引用的情况分为以下几种情况:
    1. 模块内部的函数调用、跳转
    此情况函数调用者和被调用者的相对位置是固定的,故而模块内部的跳转可以通过相对地址调用,或者是基于寄存器的相对调用,即采用所谓的近址偏移跳转。
    这里写图片描述

    2.模块内部的数据访问,如模块中定义的全局变量、局部静态变量
    任何一条指令与它要访问的模块内部数据之间的相对位置是固定的,那么只需要相对于当前指令加上固定的偏移量就可以访问模块内部数据。现代的体系结构中,数据的相对寻址并没有相对于当前指令地址PC的寻址方式,ELF用了一个巧妙的办法先得到了当前PC值
    这里写图片描述
    对于函数段调用,AT&T汇编集提供了一个call指令使用近址偏移跳转来实现程序流的跳转,而对于数据的相对引用,虽然任何一个文件被编译之后.code和.data段的相对位置已经可以确定了,但是如何利用call指令才实现类似的近址偏移获取.data段中的模块内部数据的地址。上面的ELF汇编指令很巧妙,其制造出一个辅助函数<_i686.get_pc_thunk.cx>,当系统执行call指令以后,下一条指令的地址(这里是454)会被压倒栈顶,而esp寄存器就是始终指向栈顶的,那么当进入<_i686.get_pc_thunk.cx>内部后,ecx寄存器便存放在下一条指令的首地址(即454),这时则返回便可通过加上距.data段的偏移量,再加上a在.data段 中偏移量0x28,便可以获取了模块内数据a的控制权限。

    3.模块外部的数据访问,比如其中模块中定义的全局变量
    模块间的数据访问要比模块内部数据访问复杂点,因为模块外数据的具体位置得等到装载时才能确定,其他模块的全局变量存放在宿主模块的.data段中,这时需要有个中转的数据结构来复杂模块间的数据引用切换,类似于电话接线员一样(假设电话网内的电话号码每天重置,根据用户接入顺序依次分配,假如A用户先接入电话网时,A想和B通信,但是B还未接入电话网,所以A不能通过直接拨号码来直接和B通信,所以A向接线员申请了要和B通信,接线员记录下“A向B发起请求”,这样等到B接入网络时,接线员便将该标签上内容修改成今天B的号码,那么下次A重新发起请求时,接线员便可以将B的号码直接告诉A)。

    类似的原理,Linux将接线员的角色换成了全局偏移表GOT(global offset table),模块将自己对外部模块数据的请求先声明在GOT表中,得到目标模块加载后,再将GOT表相对应的请求项换成对应的数据地址。
    这里写图片描述
    当指令中需要访问变量b时,动态链接器会到GOT表中查找变量b的地址(引用处可能置为b在GOT表中下标),如果当前为空,则等待动态链接器完成GOT表填充。链接器会在装载宿主模块时,遍历每个外部可见性符号的地址,然后填充GOT各项。一般GOT表被放在.data段中,以使在它可以在装载时权限为 RWXP

    4.模块外部的函数调用、跳转等
    函数和变量一样是符号,故而模块间的函数调用也是通过GOT表来实现中转的,只不过此时GOT中相应项保存的是函数的地址。
    这里写图片描述

    5.共享模块的全局变量问题
    面四种情况并没有考虑定义在模块内部的全局变量,粗略地看确实模块内部的全局变量和模块内部的静态变量一样处理不就可以了吗?但是存在特殊情况。

    当一其他模块B引用模块A内部定义的全局变量

    extern int global;
    int foo()
    {
        global = 1;
    }

    当编译器编译到该代码时,它是无法根据上下文判断出该段代码中的global是引用于同一模块的其他文件还是其他模块的全局变量。如果此时该段代码时存在主程序中,因为程序主模块是不需要考虑共享的,故而不会采用地址无关PIC代码分拣工作,故而在主程序中关于该全局变量global的引用和普通数据访问方式一样,编译器会产生类似这样的代码

    movl  $0x1,  xxxxxxx

    其中xxxxxxx便是global的地址,由于可执行文件在运行时是不进行代码重定位的,所以变量的地址必须在链接时确定下来,为了能够使链接过程正常进行,则链接器在加载主程序文件时,会先在它的.bss段中声明一个暂未初始化的global变量副本,但如果global定义在原先的共享对象中,这便会出现一个变量在虚拟进程空间中有两处副本,肯定不行!但是可执行文件的global必须在链接主程序时就要确定,不然没法确定下汇编代码,所以只能让所有的global指向主程序文件创建在.bss段中的那个global副本。

    ELF共享库在编译时,因为不知道自己的全局变量在主程序文件是否已经被“先斩后奏”地先生造出一个.bss副本,故而默认把模块内部的所有全局变量当做引用其他模块的全部变量,通过GOT中转访问。当共享模块被装载时,如果某个全局变量已经在主程序文件中被创建了副本,那么动态链接器就要把GOT中相应符号的地址都指向该.bss副本,如果变量在共享模块已被初始化,还得被初始值复制到主程序的.bss副本中;如果主程序文件并未创建该变量副本,也意味着主程序未声明对该全局变量的使用,那么就是GOT中相应符号的地址指向宿主模块中的全局变量地址。

    通过以上的5种分类,对代码段进行分类,将代码段可以做到地址无关性的保留,有绝对地址引用问题的,通过引入额外的数据结构,实现替代牺牲,将GOT迁移到数据段(如利用GOT表,来作间接访问),而代码本身转化成地址无关性。

    6. 共享对象模块的数据段的地址无关性

    解决了代码段的共享对象动态链接的重定位问题,那么如果数据段也存在绝对地址引用问题?

    static int a;
    static int* p = &a;
    //指针p是一个绝对地址,指向a,但是变量a显然随着模块装载位置不同而出现在不同位置,那么p如何确定?

    因为数据段是每个进程都有一份副本的,所以可以采用装载时重定位的整体绝对地址引用偏移的手法。对于共享对象.so,如果数据段中有绝对地址引用,那么编译器和链接器便会在产生该.so对象时,同时产出一个重定位表.data.rel,该表里包含了“R_386_Relative”类型的重定位入口,当动态链接器装载.so时,发现.so中含有.data.rel,则动态链接器也会对该.so对象进行重定位。

    如果不使用-fPIC参数编译生成.so:
    $gcc -shared pic.c -o pic.so
    那么上面这个命令就会产生一个不使用地址无关代码而使用装载时重定位的共享对象.so,但是如果代码段不是地址无关的,它就不能被多个进程之间共享,于是失去了节省内存的优点,但装载时重定位的共享对象的运行速度要比地址无关代码类型的.so快,因为省去了地址无关代码中每次访问全局数据和函数时需要做一次计算当前PC指令地址以及间接地址寻址的转换过程计算。

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  • 动态链接库希望所有进程共享指令段而各自拥有数据段的私有副本,为了实现这个目标,就要采用与地址无关代码(PIC: Position Independent code)的技术。该实现的基本思想是:把指令中需要修改的部分分离出来,跟数据...

    动态链接库希望所有进程共享指令段而各自拥有数据段的私有副本,为了实现这个目标,就要采用与地址无关代码(PIC: Position Independent code)的技术。该实现的基本思想是:把指令中需要修改的部分分离出来,跟数据部分放在一起,这样指令部分就可以保持不变,而数据部分则在每个进程拥有一个副本


    与地址无关的代码,也就是需要考虑代码中会对地址进行引用的情况,共享对象(GCC中的动态链接文件)中地址引用可以分为以下几种情况:
    a) 模块内函数调用、跳转等
    b) 模块内数据的访问,如模块内定义的静态变量,全局变量等
    c) 模块外部的函数调用、跳转等
    d) 模块外部的数据的访问,比如别的模块定义的全局变量

    static int a;
    extern int b;
    extern void ext();
    
    void bar()
    {
        a = 1;   //情况b
        b = 2;   //情况d
    }
    
    void foo()
    {
         bar();   //情况a
         ext();   //情况c
    }


    以下分别讨论:

    1.模块(动态链接文件)内部的函数的调用

    由于此时调用者与被调者都是位于同一个模块,所以调用者与被调者之间的相对位置是固定的,因此,对被调者的调用就可以使用相对地址来替代绝对地址,对于这种指令就是不需要重定位的。

    eg: 对上面代码中的 foo() 与 bar() 函数,因为bar() 函数相对 foo()函数中的调用语句之间的距离是固定不变的,因此该语句将是与地址无关的。


    2.模块内部的数据调用

    与上面分析同理,由于数据定义与引用指令是位于同一个模块的,因此它们之间的相对位置是固定的。但是此时有一些区别,现代体系结构中,数据的相对寻址没有基于当前指令的寻址方式,因此 ELF 采用了一个巧妙的方法来获取当前的PC(程序计数器)的值,再在该基础上添加一个偏移,即可访问到变量

    获取当前PC的方法:调用 “__i686.get_pc_thunk.cx”函数,该函数的作用是将返回地址的值放入ecx寄存器中,即把 call 的下一句指令的地址放入 ecx 寄存器中。(以上面的例子,操作是将 a = 1 该句指令的地址放入寄存器)

    实现将返回地址放入寄存器的方法:处理器执行 call 指令后,下一条指令的地址会被压到栈顶,而 esp 寄存器指向栈顶,那么当“__i686.get_pc_thunk.cx”执行 "mov (%esp) ecx" 的时候,返回地址就放入了寄存器。


    3.模块外部的函数的调用

    此时对外部符号的引用显然是与地址有关的,按照先前说的基本思想,此时需要将与地址相关的部分放到数据段里。ELF 的做法是在数据段中建立一个指向这些函数的指针数组,也即是全局偏移表(GOT,Global Offset Tabel),当代码需要引用这些外部函数时,则可以通过GOT 中的相对应的项间接引用

    动态链接器在装载模块的时候会查找每个函数所在地址,并填充GOT中的各个表项,以保证每个指针均指向正确的地址。同时由于GOT本身是放在数据段的,因此它可以在模块装载的时候被修改,并且每个进程都可有自己的副本。


    4.模块外部的数据的调用

    该方法与模块外部的函数访问方法相同,同样引入 GOT ,只是此时GOT 的表项中存储的是变量的地址


    *如何区分一个动态共享对象是否是PIC的?

    PIC 的 DSO 是不会包含任何的代码段重定位表的。

    readelf -d lib.so | grep TEXTREL
    上面的代码对PIC 的动态共享对象是不会有输出的。

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  • 动态链接

    千次阅读 2013-05-24 13:25:45
    1.为什么动态链接  静态链接有两大缺陷: ①浪费内存和存储空间。  因为各个可执行文件可能会调用相同的库函数及它们所需要的辅助数据结构。假设有两个目标文件Program1.o和Program2.o,都需要和lib.o进行...

    1.为什么要动态链接

           静态链接有两大缺陷:

    ①浪费内存和存储空间。

           因为各个可执行文件可能会调用相同的库函数及它们所需要的辅助数据结构。假设有两个目标文件Program1.o和Program2.o,都需要和lib.o进行链接形成可执行文件,当用动态链接的时候内存中只需要存在一份lib.so就可以了。

    ②模块更新困难。

           因为当可执行文件中的一个模块更新之后,所有的模块要重新链接才可以使用。

     

    2.动态链接举例

           以Program1.c与Lib.c的动态链接为例如图,


    图中将Lib.so与Program1.o并不是真正的进行静态链接,如果在Program1.o中引用了其他模块中的数据或函数,这里假设为foo()。那么链接器会根据foo()的性质做出决定,如果foo()定义于其他静态模块中,那么直接进行静态链接,如果foo()定义于某个动态共享对象中,那么链接器就会将这个符号的引用标记为一个动态链接的符号,不对它进行地址重定位,把这个过程留到装载时再进行。

           链接器如何知道引用的是一个静态符号还是一个动态符号?此时就要用Lib.so。Lib.so中保存了完整的符号信息,把Lib.so也作为链接的输入文件之一,链接器在解析符号时就可以知道该符号是否是定义在Lib.so中的动态符号。重申一下,这里的Lib.so等名称都是例子中的名称。

     

    3.动态链接的装载

    ①固定装载地址

           固定装载地址对于动态链接来说,效果不好,因为在多个模块被多个程序使用的情况下很复杂,要人为的去安排动态库的装载地址。

    ②装载时重定位

        静态链接所用到的重定位是链接时重定位,而这里动态链接可以用装载时重定位,当各模块装载至进程虚拟内存中之后,可以对引用到的符号地址进行重定位。

        但是这也带来一个问题,就是动态库中的代码部分所有进程都共享一份,否则就失去了动态链接的意义。当动态链接模块被装载映射至虚拟空间后,由于装载时重定位的方法需要修改指令,所以没有办法做到同一份指令被多个进程共享。

        为什么要修改指令?——见下面地址无关代码的㈢

    ③地址无关代码(PIC)(Position-independent Code)

        由于装载时重定位的确定,我们希望模块中共享的指令部分在装载时不需要因为装载地址的改变而改变,所以实现的基本想法就是把指令中那些需要修改的部分分离出来,跟数据部分放在一起,这样指令部分就可以保持不变。

        对于共享文件中的地址引用方式可分为4种:

    ㈠模块内部的函数调用、跳转等

        这种情况下,只要用相对偏移指令就可以了,所以不会改变代码。

    ㈡模块内部的数据访问,比如模块中定义的全局变量、静态变量

        模块内部的数据访问依然可以用相对寻址(指令中不能包含数据的绝对地址),虽然现代的体系结构中,数据的相对寻址往往没有相对与当前指令(PC)的寻址方式,但是还是有很多方法得到PC值之后加一个偏移进行对数据的寻址的。


    ㈢模块间数据访问

           因为模块间的数据访问目标地址要等到装载时才能确定。地址无关代码的基本思想就是把跟地址相关的部分放到数据段里面。ELF的做法就是在数据段里面建立一个指向这些变量的指针数组,也被称为全局偏移表(Global Offset Table,GOT),当代码需要引用该全局变量时,可以通过GOT中相对应的项间接引用,基本机制如下图:


    ㈣模块间调用、跳转

           对于模块间的调用和跳转也可以运用GOT来解决,不同的是GOT中存储的目标函数的地址。


    4.延迟绑定(PLT)

           动态链接比静态链接要灵活得多,但它是以牺牲一部分性能为代价的(装载后链接的性能)。在一个程序运行过程中,可能很多函数在程序执行完时都不会被用到,比如一些错误处理函数或用户很少使用到的功能模块等,如果一开始就把所有函数都链接好实际上是一种浪费,所以采用一种叫做延迟绑定(Lazy Binding)的技术,基本思想就是当函数第一次被用到时才进行绑定(符号查找,重定位等)。而这些绑定是由动态链接器来负责的,所以在加载的时候动态链接器是加载到进程虚拟地址空间中的。

           ELF使用PLT(Procedure Linkage Table)来实现,具体就不展开了。



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  • 使用动态链接

    千次阅读 2013-08-20 11:22:27
    库中函数和变量的地址是相对地址,不是绝对地址,其真实地址在调用动态库的程序加载时形成。 2. 动态链接库的名称有别名(soname), 真名(realname)和链接名(linker name)。别名由一个前缀l

    1. 动态链接库是程序运行时加载的库,当动态链接库正确安装后,所有的程序都可以使用动态库来运行程序。动态链接库是目标文件的集合,目标文件在动态链接库中的组织方式是按照特殊方式形成的。库中函数和变量的地址是相对地址,不是绝对地址,其真实地址在调用动态库的程序加载时形成。

    2. 动态链接库的名称有别名(soname), 真名(realname)和链接名(linker name)。别名由一个前缀lib,然后是库的名字,再加上一个后缀“.so”构成。真名是动态链接库真实名称,一般总是在别名的基础加上一个小版本号,发布版本等构成。除此之外,还有一个链接名,即程序链接时使用的库的名字。

    3.在动态链接库安装的时候,总是复制文件到某个目录下,然后用一个软连接生成别名,在库文件进行更新的时候,

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动态链接绝对地址是什么