Linux动态链接机制详解

roger

什么是动态链接
随着系统中可执行文件的增加，静态链接带来的磁盘和内存空间浪费问题愈发严重。例如大部分可执行文件都需要glibc，那么在静态链接时就要把libc.a和编写的代码链接进去，单个libc.a文件的大小为5M左右，那么1000个就是5G。如图2-6左半部所示，两个静态链接的可执行文件都包含testLib.o，那么在装载入内存时，两个相同的库也会被装载进去，造成内存空间的浪费。静态链接另一个明显的缺点是，如果对标准函数做了哪怕一点很微小的改动，都需要重新编译整个源文件，使得开发和维护很艰难。如果不把系统库和自己编写的代码链接到一个可执行文件，而是分割成两个独立的模块，等到程序真正运行时，再把这两个模块进行链接，就可以节省硬盘空间，并且内存中的一个系统库可以被多个程序共同使用，还节省了物理内存空间。这种在运行或加载时，在内存中完成链接的过程叫作动态链接，这些用于动态链接的系统库称为共享库，或者共享对象，整个过程由动态链接器完成。
如图右半部所示，func1.ELF和func2.ELF中不再包含单独的testLib.o，当运行func1.ELF时，系统将func1.o和依赖的testLib.o装载入内存，然后进行动态链接。完成后系统将控制权交给程序入口点，程序开始执行。接下来，当func2.ELF想要执行时，由于内存中已经有testLib.o，因此不再重复加载，直接进行链接即可。

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GCC默认使用动态链接编译，通过下面的命令我们将func.c编译为共享库，然后使用这个库编译main.c。参数-shared表示生成共享库，-fpic表示生成与位置无关的代码。这样可执行文件func.ELF2就会在加载时与func.so进行动态链接。需要注意的是，动态加载器ld-linux.so本身就是一个共享库，因此加载器会加载并运行动态加载器，并由动态加载器来完成其他共享库以及符号的重定位。

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位置无关代码
可以加载而无须重定位的代码称为位置无关代码（Position-Independent Code,PIC），它是共享库必须具有的属性，通过给GCC传递-fpic参数可以生成PIC。通过PIC，一个共享库的代码可以被无限多个进程所共享，从而节约内存资源。由于一个程序（或者共享库）的数据段和代码段的相对距离总是保持不变的，因此，指令和变量之间的距离是一个运行时常量，与绝对内存地址无关。于是就有了全局偏移量表（Global Offset Table, GOT），它位于数据段的开头，用于保存全局变量和库函数的引用，每个条目占8个字节，在加载时会进行重定位并填入符号的绝对地址。实际上，为了引入RELRO保护机制，GOT被拆分为.got节和.got.plt节两个部分，不需要延迟绑定的前者用于保存全局变量引用，加载到内存后被标记为只读；需要延迟绑定的后者则用于保存函数引用，具有读写权限（详情请查看4.6节）。我们看一下func.so的情况，可以看到全局变量tmp位于GOT上，R_X86_64_GLOB_DAT表示需要动态链接器找到tmp的值并填充到0x200fd8。在func()函数需要取出tmp时，计算符号相对PC的偏移rip+0x20090f，也就是0x6c9+0x20090f=0x200fd8。

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延迟绑定
由于动态链接是由动态链接器在程序加载时进行的，当需要重定位的符号（库函数）多了之后，势必会影响性能。延迟绑定（lazy binding）就是为了解决这一问题，其基本思想是当函数第一次被调用时，动态链接器才进行符号查找、重定位等操作，如果未被调用则不进行绑定。
ELF文件通过过程链接表（Procedure Linkage Table, PLT）和GOT的配合来实现延迟绑定，每个被调用的库函数都有一组对应的PLT和GOT。
位于代码段.plt节的PLT是一个数组，每个条目占16个字节。其中PLT[0]用于跳转到动态链接器，PLT[1]用于调用系统启动函数__libc_start_main()，我们熟悉的main()函数就是在这里面调用的，从PLT[2]开始就是被调用的各个函数条目。
位于数据段.got.plt节的GOT也是一个数组，每个条目占8个字节。其中GOT[0]和GOT[1]包含动态链接器在解析函数地址时所需要的两个地址（.dynamic和relor条目），GOT[2]是动态链接器ld-linux.so的入口点，从GOT[3]开始就是被调用的各个函数条目，这些条目默认指向对应PLT条目的第二条指令，完成绑定后才会被修改为函数的实际地址。
以func.ELF2调用库函数func()为例。可以看到，执行call指令会进入func@plt，第一条jmp指令找到对应的GOT条目，这时该位置保存的还是第二条指令的地址，于是执行第二条指令push，将对应的0x1（func在.rel.plt中的下标）压栈，然后进入PLT[0]。PLT[0]先将GOT[1]压栈，然后调用GOT[2]，也就是动态链接器的_dl_runtime_resolve()函数，完成符号解析和重定位工作，并将func()的真实地址填入func@got.plt，也就是GOT[4]，最后才把控制权交给func()。延迟绑定完成后，如果再调用func()，就可以由func@plt的第一条指令直接跳转到func@got.plt，将控制权交给func()。

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最后，我们简单介绍一下运行时链接，即程序在运行时加载和链接共享库。Linux为此提供了一个简单的接口dlopen。传统的动态链接会生成一个GOT表，记录着可能用到的所有符号，并且这些符号在链接时都是可以找到的。运行时链接则需要在运行时定位这些符号。

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tsffdn

太给力了，这么多好东西！