本讲概述

动态链接，大家明白了吗？

(根据我们的经验，大家上课没听懂)

本讲内容

  • 静态链接与加载
    • Hello 程序的链接与加载
  • 动态链接与加载
    • 自己动手实现动态加载

静态链接与加载

一个实验：-fno-pic 编译；-static 链接

代码

// a.c
int foo(int a, int b) {
  return a + b;
}

// b.c
int x = 100, y = 200;

// main.c
extern int x, y;
int foo(int a, int b); // 可以试试 extern int foo;
int main() {
  printf("%d + %d = %d\n", x, y, foo(x, y));
}

GNU Binutils

Binary utilities: 分析二进制文件的工具

  • RTFM: 原来有那么多工具！
    • 有 addr2line，自己也可以实现类 gdb 调试器了

使用 binutils

  • objdump 查看 .data 节的 x, y (-D)
  • objdump 查看 main 对应的汇编代码
  • readelf 查看 relocation 信息
    • 思考题：为什么要 -4?

静态程序的加载

由操作系统加载 (下学期内容)

你可以认为是 “一步到位” 的

  • 使用 gdb (starti) 调试
  • 使用 strace 查看系统调用序列

一个有趣的问题：“最小” 的可执行代码

不能用 ld 链接吗？

(试一试)

  • 我们能否写一个最小的汇编代码，能正确返回？
  • 仅执行一个操作系统调用
    • rax = 231; rdi = 返回值
    • syscall 指令执行系统调用

Linux/C 世界中的宝藏

gcc -Wl,--verbose

C 世界里还有很多大家不知道的东西

  • 一系列 crt 对象
    • __attribute__((constructor))
    • __attribute__((destructor)) (atexit)

RTFM; RTFSC!

动态链接与加载

去掉 -fno-pic 和 -static

这是默认的 gcc 编译/链接选项。

文件相比静态链接大幅瘦身

  • a.o, b.o 没有变化
  • main.o 里依然有 00 00 00 00
    • 但是相对于 rip 的 offset
    • relocation 依然是 x - 4, y - 4, foo - 4
  • a.out 里库的代码都不见了

位置无关代码

使用位置无关代码 (PIC) 的原因

  • 共享库不必事先决定加载的位置
  • 应用程序自己也是
    • 新版本 gcc 无论 32/64-bit 均默认 PIC
    • 重现课本行为可使用 -no-pie 选项编译

PIC 的实现

  • i386 并不支持以下代码
movl $1, 1234(%eip)
  • 于是有了你们经常看到的 __i686.get_pc_thunk.bx
    • “获取 next PC 的地址” (如何实现？)

共享对象 (a.out) 的加载

命令：ldd

  • “print shared object dependencies”
    • linux-vdso.so.1
      • 暂时忽略它
    • libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
    • /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
      • 多次打印，地址会发生变化 (ldd 会执行加载过程)

ldd 竟然是一个脚本 (vim $(which ldd))

  • 挨个尝试调用若干 ld-linux.so 候选
    • 加上一系列环境变量
    • 我们可以用 --list 选项达到类似效果

共享对象 (a.out) 的加载 (cont'd)

终于揭开谜题

  • readelf -a a.out
    • program header 中有一个 INTERP
      • /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
      • 这个字符串可以直接在二进制文件中看到

神奇的 ld.so

  • /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 ./a.out
    • 和执行 ./a.out 的行为完全一致
      • (这才是 ./a.out 真正在操作系统里发生的事情)
        • 与 sha-bang (#!) 实现机制完全相同
  • ld.so 到底做了什么，下学期分解

动态链接：实现

我们刚才忽略了一个巨大的问题

main.o 在链接时，对 printf 的调用地址就确定了

但 libc 每次加载的位置都不一样啊！

应用程序使用怎样的指令序列调用库函数？

  • 可以在库加载的时候重新进行一次静态链接
    • 但这个方案有一些明显的缺陷
      • 各个进程的代码不能共享一个内存副本
      • 没有使用过的符号也需要重定位

ELF: 查表

基本款

call *table[PRINTF]
  • 在链接时，填入运行时的 table
    • 使用 -fno-plt 选项可以开启此款

豪华款 (默认选项，使用 PLT)

printf@plt:
  jmp *table[PRINTF]
  push $PRINTF
  call resolve

总结与反思

为什么我从来没听说过这些知识？？？

因为百度搜不到啊！

中文社区几乎不存在这些知识的详细解释

  • the friendly manual 是英文写的
  • mailing list/stackoverflow 都是英文
  • 国内的专家本来就少
    • 仅有的那些也没空写文档

你们才是未来的希望

  • 不要动不动就说内卷
  • 不要为了无意义的 GPA 沾沾自喜
  • 不要停止自我救赎

End.

(RTFM; STFW; RTFSC)