【图片+代码】：Linux动态链接过程中的【重定位】底层原理

目录

· 动态链接要解决什么问题？

· 矛盾：代码段不可写

· 解决矛盾：增加一层间接性

· 示例代码

· b．c

· a．c

· main．c

· 编译成动态链接库

· 动态库的依赖关系

· 动态库的加载过程

· 动态链接器加载动态库

· 动态库的加载地址分析

· 符号重定位

· 全局符号表

· 全局偏移表GOT

· liba．so动态库文件的布局

· liba．so动态库的虚拟地址

· GOT表的内部结构

· 反汇编liba．so代码

大家好，我是道哥，你技术修炼道路上的垫脚石。

在上一篇文章中，我们一起学习了Linux系统中 GCC编译器在编译可执行程序时，静态链接过程中是如何进行符号重定位的。

为了完整性，我们这篇文章来一起探索一下：动态链接过程中是如何进行符号重定位的。

老样子，文中使用大量的【代码＋图片】的方式，来真实的感受一下实际的内存模型。

文中使用了大量的图片，建议您在电脑上阅读此文。

关于为什么使用动态链接，这里就不展开讨论了，无非就几点：

1. 节省物理内存；

2. 可以动态更新；

动态链接要解决什么问题？

静态链接得到的可执行程序，被操作系统加载之后就可以执行执行。

因为在链接的时候，链接器已经把所有目标文件中的代码、数据等Section，都组装到可执行文件中了。

并且把代码中所有使用的外部符号（变量、函数），都进行了重定位（即：把变量、函数的地址，都填写到代码段中需要重定位的地方），因此可执行程序在执行的时候，不依赖于其它的外部模块即可运行。

详细的静态链接过程，请参考上一篇文章：【图片＋代码】：GCC 链接过程中的【重定位】过程分析。

也就是说：符号重定位的过程，是直接对可执行文件进行修改。

但是对于动态链接来说，在编译阶段，仅仅是在可执行文件或者动态库中记录了一些必要的信息。

真正的重定位过程，是在这个时间点来完成的：可执行程序、动态库被加载之后，调用可执行程序的入口函数之前。

只有当所有需要被重定位的符号被解决了之后，才能开始执行程序。

既然也是重定位，与静态链接过程一样：也需要把符号的目标地址填写到代码段中需要重定位的地方。

矛盾：代码段不可写

问题来了！

我们知道，在现代操作系统中，对于内存的访问是有权限控制的，一般来说：

· 代码段：可读、可执行；

· 数据段：可读、可写；

如果进行符号重定位，就需要对代码进行修改（填写符号的地址），但是代码段又没有可写的权限，这是一个矛盾！

解决这个矛盾的方案，就是Linux系统中动态链接器的核心工作！

解决矛盾：增加一层间接性

David Wheeler有一句名言：“计算机科学中的大多数问题，都可以通过增加一层间接性来解决。”

解决动态链接中的代码重定位问题，同样也可以通过增加一层间接性来解决。

既然代码段在被加载到内存中之后不可写，但是数据段是可写的。

在代码段中引用的外部符号，可以在数据段中增加一个跳板：让代码段先引用数据段中的内容，然后在重定位时，把外部符号的地址填写到数据段中对应的位置，不就解决这个矛盾了吗？！

如下图所示：

理解了上图的解决思路，基本上就理解了动态链接过程中重定位的核心思想。

示例代码

我们需要3个源文件来讨论动态链接中重定位的过程：main．c、a．c、b．c，其中的a．c和b．c被编译成动态库，然后main．c与这两个动态库一起动态链接成可执行程序。

它们之间的依赖关系是：

b．c

代码如下：

代码说明：

定义一个全局变量和一个全局函数，被 a．c 调用。

a．c

代码如下（稍微复杂一些，主要是为了探索：不同类型的符号如何处理重定位）：

代码说明：

1. 定义了 2 个全局变量：一个静态，一个非静态；

2. 定义了 3 个函数：

func＿a2是静态函数，只能在本文件中调用；

func＿a1和func＿a3是全局函数，可以被外部调用；

3. 在 main．c 中会调用func＿a1。

main．c

代码如下：

纠正：代码中本来是想打印变量的地址的，但是不小心加上了 ＊，变成了打印变量值。最后检查的时候才发现，所以就懒得再去修改了。

代码说明：

利用 dlopen 函数（第一个参数传入 NULL），来打印此进程中的一些符号信息（变量和函数）；

赋值给 liba．so 中的变量 a2，然后调用 liba．so 中的 func＿a1 函数；

编译成动态链接库

把以上几个源文件编译成动态库以及可执行程序：

有几点内容说明一下：

1. －fPIC 参数意思是：生成位置无关代码（Position Independent Code），这也是动态链接中的关键；

2. 既然动态库是在运行时加载，那为什么在编译的时候还需要指明？

因为在编译的时候，需要知道每一个动态库中提供了哪些符号。Windows 中的动态库的显性的导出和导入标识，更能体现这个概念（＿＿declspec（dllexport）， ＿＿declspec（dllimport））。

此时，就得到了如下几个文件：

动态库的依赖关系

对于静态链接的可执行程序来说，被操作系统加载之后，可以认为直接从可执行程序的入口函数开始（也就是ELF文件头中指定的e＿entry这个地址），执行其中的指令码。

但是对于动态链接的程序来说，在执行入口函数的指令之前，必须把该程序所依赖的动态库加载到内存中，然后才能开始执行。

对于我们的实例代码来说：main程序依赖于liba．so库，而liba．so库又依赖于libb．so库。

可以用ldd工具来分别看一下动态库之间的依赖关系：

可以看出：

1. 在 liba．so 动态库中，记录了信息：依赖于 libb．so；

2. 在 main 可执行文件中，记录了信息：依赖于 liba．so， libb．so；

也可以使用另一个工具patchelf来查看一个可执行程序或者动态库，依赖于其他哪些模块。例如：

那么，动态库的加载是由谁来完成的呢？动态链接器！

动态库的加载过程

动态链接器加载动态库

当执行main程序的时候，操作系统首先把main加载到内存，然后通过．interp段信息来查看该文件依赖哪些动态库：

上图中的字符串／lib／ld－linux．so．2，就表示main依赖动态链接库。

ld－linux．so．2也是一个动态链接库，在大部分情况下动态链接库已经被加载到内存中了（动态链接库就是为了共享），操作系统此时只需要把动态链接库所在的物理内存，映射到 main进程的虚拟地址空间中就可以了，然后再把控制权交给动态链接器。

动态链接器发现：main依赖liba．so，于是它就在虚拟地址空间中找一块能放得下liba．so的空闲空间，然后把liba．so中需要加载到内存中的代码段、数据段都加载进来。