作者 大話IT

通過靜態(tài)鏈接，可以生成一個(gè)可執(zhí)行文件，這個(gè)可執(zhí)行文件既可以是完全鏈接的也可以是部分鏈接的，對(duì)于部分鏈接的可執(zhí)行文件，有些符號(hào)引用需要等到可執(zhí)行文件加載時(shí)甚至是運(yùn)行時(shí)才會(huì)進(jìn)行符號(hào)解析和重定位。

動(dòng)態(tài)鏈接與靜態(tài)鏈接一樣包括符號(hào)解析和重定位兩個(gè)任務(wù)，靜態(tài)鏈接和動(dòng)態(tài)鏈接的區(qū)別之一就是符號(hào)解析和重定位的時(shí)機(jī)，動(dòng)態(tài)鏈接分為加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接和運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接，本篇文章將拆分成3個(gè)部分闡述：

1．可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)和加載過程。

2．加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。

3．運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。

可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)和加載過程

可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)

可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)與可重定位目標(biāo)文件的結(jié)構(gòu)類似，都是采用ELF文件格式，不同的是它們包括的節(jié)有差異，另外可執(zhí)行文件增加了程序頭部表（program header table），如下圖所示

可執(zhí)行文件結(jié)構(gòu)圖

如上圖所示，對(duì)于可執(zhí)行文件來說，ELF文件頭中的程序入口地址字段不再為空，入口地址指向了第一條指令的虛擬內(nèi)存地址，．init是一個(gè)函數(shù)，這個(gè)函數(shù)在程序加載時(shí)，做一些初始化的工作。

可執(zhí)行文件中只有一部分內(nèi)容能夠加載到內(nèi)存中，如上圖所示，．init，．text，．rodata這幾個(gè)節(jié)，程序頭部表以及ELF文件頭會(huì)加載到內(nèi)存中代碼段中，代碼段的權(quán)限只讀，．data，．bss這兩個(gè)節(jié)加載到內(nèi)存的數(shù)據(jù)段，數(shù)據(jù)段的權(quán)限是讀和寫，其它節(jié)不能加載到內(nèi)存中，只起到輔助作用。

可執(zhí)行文件與可重定位目標(biāo)文件相比較多出了一個(gè)程序頭部表，下面闡述下程序頭部表的作用。

程序頭部表：

程序頭部表負(fù)責(zé)將可執(zhí)行文件中連續(xù)的內(nèi)容映射到連續(xù)的內(nèi)存段，通過【objdump －dx 可執(zhí)行文件】可以查看可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)，其中可以看到程序頭部表的描述信息，如下圖

程序頭部表

由上圖得知程序頭部表包括了9個(gè)表項(xiàng)，我們重點(diǎn)關(guān)注2個(gè)LOAD表項(xiàng)。

第一個(gè)LOAD表項(xiàng)：這個(gè)表項(xiàng)用于將可執(zhí)行文件的．init，．text，．rodata這幾個(gè)節(jié)，程序頭部表以及ELF文件頭的內(nèi)容映射到只讀內(nèi)存段即代碼段，其中off＝0x0000000000000000表示從可執(zhí)行文件偏移0處開始映射，filesz＝0x00000000000008ec表示映射范圍的大小，vddr＝paddr＝0x0000000000400000表示映射到代碼段的開始地址為0x0000000000400000，memsz＝0x00000000000008ec表示映射的代碼段大小，flags＝r－x表示代碼段是可讀，可執(zhí)行的，align＝2的21次方表示代碼段的開始地址必須是2的21次方的整數(shù)倍，通常來說off％align＝vadd％align。

第二個(gè)LOAD表項(xiàng)：這個(gè)表項(xiàng)用于將可執(zhí)行文件的．data，．bss這兩個(gè)節(jié)的內(nèi)容映射到讀寫內(nèi)存段即數(shù)據(jù)段，其中off＝0x0000000000000e00表示從可執(zhí)行文件偏移0x0000000000000e00處開始映射，filesz＝0x000000000000024c表示映射范圍的大小，vddr＝paddr＝0x0000000000600e00表示映射到數(shù)據(jù)段的開始地址為0x0000000000600e00，memsz＝0x0000000000000258表示映射的數(shù)據(jù)段大小，flags＝rw－表示數(shù)據(jù)段是可讀，可寫的，align＝2的21次方表示數(shù)據(jù)段的開始地址必須是2的21次方的整數(shù)倍，通常來說off％align＝vadd％align。

可執(zhí)行文件的結(jié)構(gòu)就介紹到這里了，下面介紹下可執(zhí)行文件的加載過程。

可執(zhí)行文件的加載

我們經(jīng)常通過．／prog 命令加載一個(gè)可執(zhí)行文件，prog是可執(zhí)行文件的名稱，當(dāng)執(zhí)行這個(gè)命令時(shí)，操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)用內(nèi)核中的一個(gè)加載器（loader），通過加載器來運(yùn)行可執(zhí)行文件，另外在Linux中也可以采用execve函數(shù)來調(diào)用加載器。

加載器加載一個(gè)可執(zhí)行文件時(shí)，會(huì)執(zhí)行以下步驟：

1．創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程上下文和進(jìn)程虛擬地址空間，如下圖為進(jìn)程虛擬地址空間

2．建立可執(zhí)行文件的內(nèi)容（按照頁大�。┖吞摂M地址空間頁的映射關(guān)系（依據(jù)程序頭部表），依據(jù)程序頭部表可以得出，代碼段總是從0x0000000000400000開始的，數(shù)據(jù)段則是從0x0000000000600e00開始的，代碼段的大小為0x00000000000008ec，數(shù)據(jù)段的大小為0x0000000000000258。

3．將可執(zhí)行文件的文件頭信息加載到內(nèi)存。

以上就是加載一個(gè)可執(zhí)行文件的過程，可以看出加載的過程并沒有把可執(zhí)行文件中的代碼和數(shù)據(jù)加載到內(nèi)存，當(dāng)CPU第一次調(diào)度進(jìn)程時(shí)，加載器才會(huì)根據(jù)文件頭中的程序入口地址，開始執(zhí)行第一條指令，當(dāng)執(zhí)行這條指令時(shí)，發(fā)現(xiàn)指令不在內(nèi)存中，發(fā)生了缺頁中斷，才會(huì)將虛擬頁加載到內(nèi)存中。

程序的入口地址往往指向＿start函數(shù)，＿start函數(shù)調(diào)用系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)＿＿libc＿start＿main，這個(gè)系統(tǒng)啟動(dòng)函數(shù)定義在libc．so中，它負(fù)責(zé)初始化執(zhí)行環(huán)境，調(diào)用用戶層提供的main函數(shù)，同時(shí)負(fù)責(zé)處理main函數(shù)的返回值，并在合適的時(shí)機(jī)交由內(nèi)核處理。

加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接

靜態(tài)鏈接是在執(zhí)行鏈接命令時(shí)開始鏈接過程，通常鏈接的是靜態(tài)庫，另外靜態(tài)庫可以實(shí)現(xiàn)按需鏈接即用到了到哪個(gè)函數(shù)就鏈接哪個(gè)函數(shù)到可執(zhí)行文件中。

不過靜態(tài)庫有以下幾個(gè)弊端：

1．靜態(tài)庫的內(nèi)容發(fā)生了變化，其它依賴靜態(tài)庫的程序需要重新編譯。

2．靜態(tài)鏈接時(shí)，將靜態(tài)庫的函數(shù)和數(shù)據(jù)復(fù)制到了可執(zhí)行文件中，因此多個(gè)可執(zhí)行文件就會(huì)有多份函數(shù)和數(shù)據(jù)，這個(gè)會(huì)耗費(fèi)大量的磁盤空間，如果將這些可執(zhí)行文件加載到內(nèi)存則會(huì)耗費(fèi)大量的內(nèi)存。

因此，共享庫就誕生了，它在內(nèi)存中獨(dú)一份，共享庫是個(gè)共享目標(biāo)文件，也是采用ELF文件格式，通常是以．so作為文件后綴，這里順別提一下微軟的共享庫是DLL文件。

當(dāng)可執(zhí)行文件加載時(shí)，由動(dòng)態(tài)鏈接器加載共享庫到內(nèi)存中，然后和可執(zhí)行文件進(jìn)行鏈接，因此這個(gè)過程叫做加載時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接。

可以通過【gcc －shared －fpic －o allvector．so addvec．c multvec．c】命令生成一個(gè)共享庫，對(duì)于－fpic表示生成位置無關(guān)的共享庫，一般來說生成共享庫必須有這個(gè)選項(xiàng)，后續(xù)會(huì)單獨(dú)介紹。

生成了共享庫后，可以通過【gcc －o proglib mainlib．c ．／allvector．so】命令生成一個(gè)可執(zhí)行文件，當(dāng)然這個(gè)命令并也需要執(zhí)行靜態(tài)鏈接，通過靜態(tài)鏈接將一些需要靜態(tài)鏈接的目標(biāo)文件進(jìn)行鏈接，鏈接后生成一個(gè)部分鏈接的可執(zhí)行文件，當(dāng)可執(zhí)行文件加載時(shí)，通過動(dòng)態(tài)鏈接器鏈接allvector．so這個(gè)共享庫。

可執(zhí)行文件加載時(shí)，有一個(gè)．interp節(jié)，這個(gè)節(jié)包含了動(dòng)態(tài)鏈接器的文件路徑，動(dòng)態(tài)鏈接器也是一個(gè)共享庫，操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)加載和運(yùn)行這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接器，然后由這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接器來負(fù)責(zé)加載共享庫，動(dòng)態(tài)鏈接器接下來共享庫的鏈接過程。

以【gcc －o proglib mainlib．c ．／allvector．so】這個(gè)命令生成的可執(zhí)行文件為例，加載可執(zhí)行文件時(shí)，動(dòng)態(tài)鏈接的過程大致如下：

1．加載共享庫libc．so這個(gè)共享庫中的數(shù)據(jù)和代碼到內(nèi)存段，并進(jìn)行符號(hào)解析和重定位。

2．加載共享庫allvector．so這個(gè)共享庫中的數(shù)據(jù)和代碼到內(nèi)存段，并進(jìn)行符號(hào)解析和重定位。

3．對(duì)proclib可執(zhí)行文件中涉及到的未定義的符號(hào)引用進(jìn)行解析和重定位。

可執(zhí)行文件運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)鏈接

除了在可執(zhí)行文件加載時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)鏈接，也可以在應(yīng)用程序運(yùn)行過程中，加載和運(yùn)行一個(gè)共享庫，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)連接。

運(yùn)行時(shí)動(dòng)態(tài)連接有兩個(gè)常見場(chǎng)景：

1．分發(fā)軟件包，例如采用共享庫來作為一個(gè)軟件升級(jí)包，用戶下載這個(gè)這個(gè)共享庫后，替換了舊版本，應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)，會(huì)自動(dòng)加載這個(gè)共享庫并進(jìn)行重新鏈接。

2．構(gòu)建高性能的Web服務(wù)器，很多Web服務(wù)器接受客戶端的請(qǐng)求生成動(dòng)態(tài)的頁面內(nèi)容，早期的做法是創(chuàng)建一個(gè)子進(jìn)程（fork），然后在這個(gè)子進(jìn)程來生成動(dòng)態(tài)的頁面內(nèi)容，這樣的方式性能不是很好，不利于擴(kuò)展，而高性能的Web服務(wù)器則是將每個(gè)動(dòng)態(tài)生成頁面內(nèi)容的函數(shù)封裝成一個(gè)共享庫，當(dāng)服務(wù)器接受到客戶端請(qǐng)求時(shí)，會(huì)動(dòng)態(tài)鏈接到合適的函數(shù)，然后調(diào)用它，這個(gè)函數(shù)只加載一次，便會(huì)緩存在內(nèi)存中，下一次請(qǐng)求同一個(gè)函數(shù)時(shí)，就是直接獲取這個(gè)函數(shù)指針即可，另外，如果函數(shù)發(fā)生變化時(shí)，不需要重啟服務(wù)器，只需要重新加載這個(gè)共享庫就可以了，另外Web服務(wù)器也可以動(dòng)態(tài)增加一個(gè)新的函數(shù)，來滿足新的業(yè)務(wù)需求。

Linux提供了運(yùn)行時(shí)加載共享庫的接口，如下所示：

＃include ＜dlfcn．h＞
／／ 打開一個(gè)共享庫，返回一個(gè)共享庫句柄
void ＊dlopen（const char＊filenames， int flag）；
／／ 根據(jù)一個(gè)共享庫句柄，查找某個(gè)函數(shù)名的指針
void ＊dlsym（void ＊handle， char＊symbol）；
／／ 根據(jù)共享庫句柄，關(guān)閉一個(gè)共享庫，如果沒有其它程序
／／ 引用這個(gè)句柄，則卸載這個(gè)共享庫
int dlclose（void ＊handle）；
／／ 用于檢查dlopen，dlsym，dlclose操作是不是成功，如果不成功
／／則返回錯(cuò)誤信息，否則返回NULL
const char ＊dlerror（void）；

Java中要調(diào)用C函數(shù)，通常采用JNI，原理就是將C函數(shù)編譯成一個(gè)共享庫（＊．so），當(dāng)一個(gè)Java程序運(yùn)行時(shí)，Java解釋器調(diào)用dlopen接口打開這個(gè)共享庫，然后通過函數(shù)名調(diào)用dlsymf返回函數(shù)地址，然后調(diào)用這個(gè)函數(shù)。

位置無關(guān)代碼

共享庫的目的是多個(gè)程序共享一份庫代碼，那么多個(gè)程序是怎么共享一份庫代碼呢，一種方式是將一個(gè)共享庫存儲(chǔ)在內(nèi)存的固定位置，然后程序動(dòng)態(tài)鏈接時(shí)，將符號(hào)引用重定位到這個(gè)位置就可以了，然后這種方式也有不少弊端：

1．地址空間的使用率不高，例如一個(gè)共享庫即使沒有被使用，它也占用哪個(gè)空間，因?yàn)檫@個(gè)空間已經(jīng)被分配出來了。

2．一個(gè)共享庫的版本發(fā)生了變化后，占用的空間可能會(huì)擴(kuò)大，這樣很有可能需要選擇一個(gè)新的內(nèi)存段來存儲(chǔ)這個(gè)共享庫。

3．新的共享庫需要新的內(nèi)存段，隨著時(shí)間的推移，會(huì)有大量大小不一的共享庫，這就會(huì)造成很多不能使用的空閑內(nèi)存。

4．每個(gè)系統(tǒng)，庫在內(nèi)存中的分配方式不同，這樣就增加了管理難度。

為了解決上述的弊端，現(xiàn)代系統(tǒng)編譯共享庫代碼，這個(gè)共享庫代碼是可以加載到內(nèi)存的任意位置的，所有用到這個(gè)共享庫代碼的程序，通過【gcc －shared －fpic －o allvector．so addvec．c multvec．c】的方式生成位置無關(guān)的代碼，其中－fpic就表示生成位置無關(guān)的代碼。

位置無關(guān)代碼的實(shí)現(xiàn)原理是基于以下一個(gè)事實(shí)：

可執(zhí)行文件的代碼段中指令引用的數(shù)據(jù)變量的地址和函數(shù)的地址是相對(duì)固定的即位置無關(guān)的，如下圖：

代碼段和數(shù)據(jù)段的距離是固定的X

如上圖所示，代碼段的【指令n－1】引用到了數(shù)據(jù)段的【變量n】，當(dāng)執(zhí)行【指令n－1】時(shí)，（％rip）表示下一條指令即【指令n】的地址，【指令n】的地址與變量n的地址位置差是X，這個(gè)X是固定的，與內(nèi)存無關(guān)的，因此執(zhí)行【指令n－1】時(shí)，通過X［％rip］即指令n的地址＋X總是能夠獲取正確的變量n的地址。

位置無關(guān)的代碼基于上面所述的事實(shí)，可以分為兩類：全局變量引用的位置無關(guān)和函數(shù)引用的位置無關(guān)，下面分別討論：

全局變量引用的位置無關(guān)：

編譯器為了實(shí)現(xiàn)全局變量引用的位置無關(guān)，引入了一個(gè)全局偏移量表（GOT），全局偏移量表為每個(gè)全局變量引用增加一個(gè)條目，每個(gè)條目占用8個(gè)字節(jié)，每個(gè)條目都有一個(gè)重定位條目，當(dāng)可執(zhí)行文件加載時(shí)，會(huì)根據(jù)重定位條目對(duì)全局變量進(jìn)行重定位，將條目的內(nèi)容設(shè)置為全局變量重定位后的地址，如下圖所示

全局變量GOT

上圖是基于如下的代碼

int addcnt ＝ 0；
void addvec（int ＊x，int ＊y，int ＊z， int n）
｛
int i；
addcnt＋＋；
for（i ＝ 0； i ＜ n； i＋＋）｛
z［i］ ＝ x［i］ ＋ y［i］；
｝
｝

由上圖和上述代碼可以看出，addvec函數(shù)引用了全局變量addcnt，在addvec函數(shù)中執(zhí)行指令【mov 0x2008b9（％rip），％rax】時(shí)，0x2008b9是當(dāng)前執(zhí)行指令的下條指令和GOT［3］的距離，這個(gè)距離是固定的，與內(nèi)存無關(guān)的，【mov 0x2008b9（％rip），％rax】指令通過訪問GOT［3］來間接獲取addcnt的全局變量的地址，當(dāng)addcnt全局變量的內(nèi)存地址發(fā)生變化時(shí)，只需要將GOT［3］的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，addvec的所有指令不需要進(jìn)行調(diào)整，這就實(shí)現(xiàn)了全局變量引用的位置無關(guān)。

函數(shù)引用的位置無關(guān)：

編譯器為了實(shí)現(xiàn)函數(shù)引用的位置無關(guān)，采用全局偏移量表GOT和過程鏈接表PLT共同來完成的，如下圖所示：

PLT

上圖基于如下代碼

int addcnt ＝ 0；
void addvec（int ＊x，int ＊y，int ＊z， int n）
｛
int i；
addcnt＋＋；
for（i ＝ 0； i ＜ n； i＋＋）｛
z［i］ ＝ x［i］ ＋ y［i］；
｝
｝

由上圖得知：

在代碼段中，編譯器創(chuàng)建了一個(gè)PLT表，PLT包括多個(gè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)包括幾條指令，PPLT［0］和PLT［1］是內(nèi)置的表項(xiàng)，PLT［0】用于調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接器，然后重定位某個(gè)函數(shù)引用的地址，PLT［1］用于跳轉(zhuǎn)到＿＿libc＿start＿main函數(shù)執(zhí)行初始化工作，這個(gè)函數(shù)調(diào)用了用戶程序的main函數(shù)，從PLT［2］開始為函數(shù)引用的表項(xiàng)，有多少個(gè)函數(shù)引用就有多少個(gè)表項(xiàng)，例如PLT［2］為第一個(gè)函數(shù)引用的表項(xiàng)，PLT［3］為第三個(gè)函數(shù)引用的表項(xiàng)，以此類推。

在數(shù)據(jù)段中，編譯器創(chuàng)建為了GOT表，GOT表包括多個(gè)表項(xiàng)，每個(gè)表項(xiàng)里存儲(chǔ)一個(gè)地址，GOT［0］～GOT［3］是內(nèi)置的表項(xiàng)，從GOT［4］開始，每個(gè)函數(shù)一個(gè)表項(xiàng)，例如GOT［4］是第一個(gè)函數(shù)引用的表項(xiàng)，GOT［5］為第二個(gè)函數(shù)引用的表項(xiàng)，編譯器生成可執(zhí)行文件時(shí)，GOT［4］中存儲(chǔ)的地址總是指向了PLT［2］表項(xiàng)的第二條指令，GOT［5］中存儲(chǔ)的地址總是指向了PLT［3］表項(xiàng)的第二條指令，因此類推。

以GOT［4］為例，GOT［4］為函數(shù)引用addvec的表項(xiàng)。

當(dāng)一個(gè)目標(biāo)文件第一次調(diào)用addvec時(shí)，經(jīng)歷了5個(gè)步驟：

1．執(zhí)行指令call 0x4005c0。0x4005c0為PLT［2］表項(xiàng)的地址，這個(gè)地址是個(gè)相對(duì)地址，與內(nèi)存無關(guān)的，生成可執(zhí)行文件時(shí)，就已經(jīng)確定了。

2．跳轉(zhuǎn)到PLT［2］表項(xiàng)即0x4005c0地址處，開始執(zhí)行PLT［2］表項(xiàng)的指令，PLT［2］表項(xiàng)的第一條指令就是跳轉(zhuǎn)到GOT［4］指向的地址，這個(gè)地址在第一次調(diào)用時(shí)，剛好是PLT［2］表項(xiàng)的第二條指令地址。

3．跳轉(zhuǎn)到PLT［2］表項(xiàng)的第二條指令后，將函數(shù)引用的編號(hào)這里是0x01入棧，然后跳轉(zhuǎn)到了PLT［0］表項(xiàng)。

4．開始執(zhí)行PLT［0］表項(xiàng)的指令，第一條指令是將重定位表的地址入棧，然后調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接器。

5．動(dòng)態(tài)鏈接器利用傳入的重定位表和函數(shù)引用編號(hào)對(duì)函數(shù)進(jìn)行重新定位，找到了函數(shù)引用對(duì)應(yīng)的內(nèi)存地址，然后更新到GOT［4］。

當(dāng)一個(gè)目標(biāo)文件第二次調(diào)用addvec函數(shù)時(shí)，經(jīng)歷了2個(gè)步驟：

1．call 0x4005c0。0x4005c0為函數(shù)引用的表項(xiàng)即PLT［2］的地址。

2．跳轉(zhuǎn)到PLT［2］表項(xiàng)，開始執(zhí)行PLT［2］表項(xiàng)的指令，PLT［2］表項(xiàng)的第一條指令就是跳轉(zhuǎn)到GOT［4］指向的地址，由于GOT［4］剛好是函數(shù)引用的地址，直接調(diào)用函數(shù)了，后面的步驟就不需要了。