实现应用程序的拆解

方案 1: libc.o

• 在加载时完成重定位
  • 加载 = 静态链接
  • 省了磁盘空间，但没省内存
  • 致命缺点：时间 (链接需要解析很多不会用到的符号)

方案 2: libc.so (shared object)

• 编译器生成位置无关代码
  • 加载 = mmap
  • 但函数调用时需要额外一次查表
• 这才对：映射同一个 libc.so，内存中只需要一个副本

动态加载：A Layer of Indirection

编译时，动态链接库调用 = 查表

call  *TABLE[printf@symtab]

链接时，收集所有符号，“生成” 符号信息和相关代码：

#define foo@symtab     1
#define printf@symtab  2
...

void *TABLE[N_SYMBOLS];

void load(struct loader *ld) {
    TABLE[foo@symtab] = ld->resolve("foo");
    TABLE[foo@printf] = ld->resolve("printf");
    ...
}

dlbox: 再次 “实现” binutils

编译和链接

• 偷 GNU 工具链就行
  • ld = objcopy (偷来的)
  • as = GNU as (偷来的)

解析和加载

• 剩下的就需要自己动手了
  • readdl (readelf)
  • objdump
  • 同样可以山寨 addr2line, nm, objcopy, ...
• 加载器就是 ELF 中的 “INTERP”

我们实现了什么？

我们 “发明” 了 GOT (Global Offset Table)！

• 对于每个需要动态解析的符号，GOT 中都有一个位置
• ELF: Relocation section “.rela.dyn”

  Offset          Info           Type        Sym. Name + Addend
...
000000003fe0  000300000006 R_X86_64_GLOB_DAT printf@GLIBC_2.2.5 + 0
...

• objdump 查看 3fe0 这个 offset ，位于 “GOT”:
  • printf("%p\n", printf); 看到的不是真正的 printf
  • *(void **)(base + 0x3fe0) 才是
  • 我们可以设置一个 “read watch point”，看看谁读了它

动态链接的主要功能

实现代码的动态链接和加载

• main (.o) 调用 printf (.so)
• main (.o) 调用 foo (.o)

难题：怎么决定到底要不要查表？

int printf(const char *, ...);
void foo();

• 是在同一个二进制文件 (链接时确定)？还是在库中 (运行时加载)？

历史遗留问题：先编译、后链接

编译器的选择 1: 全部查表跳转

ff 25 00 00 00 00   call *FOO_OFFSET(%rip)

• 调用个 foo 都多查一次表，性能我不能忍

编译器的选择 2: 全部直接跳转

e8 00 00 00 00      call <reloc>

• %rip: 00005559892b7000
• libc.so.6: 00007fdcdf800000
  • 相差了 2a8356549000
  • 4-byte 立即数放不下，无论如何也跳不过去

还能那怎么办？

为了性能，“全部直接跳转” 是唯一选择

e8 00 00 00 00      call <reloc>

• 如果这个符号在链接时发现是 printf (来自动态加载)，就在 a.out 里 “合成” 一段小代码：

printf@plt:
    jmp *PRINTF_OFFSET(%rip)

• 我们发明了 PLT (Procedure Linkage Table)！

PLT: 没能解决数据的问题

对于 extern int x，我们不能 “间接跳转”！

• x = 1, 同一个 .so (或 executable)

mov $1, offset_of_x(%rip)

• x = 1, 另一个 .so

mov GOT[x], %rdi
mov $1, (%rdi)

不优雅的解决方法

• -fPIC 默认会为所有 extern 数据增加一层间接访问
  • __attribute__((visibility("hidden")))

LD_PRELOAD

一个神奇的 “hook” 机制

• 允许 “preload” 一个自己的库
  • 当然，没有魔法
  • LD_PRELOAD 会传递给 ld-linux.so
• 我们可以在运行时，用一个自己的库替换掉某个库

LD_PRELOAD=./mylib.so ./a.out