Linux 动态链接过程中的【重定位】底层原理

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：

#include <stdio.h>
int b = 30;
void func_b(void)
{
    printf("in func_b. b = %d \n", b);
}

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)：

#include <stdio.h>
// 内部定义【静态】全局变量
static int a1 = 10;
// 内部定义【非静态】全局变量
int a2 = 20;
// 声明外部变量
extern int b;
// 声明外部函数
extern void func_b(void);
// 内部定义的【静态】函数
static void func_a2(void)
{
    printf("in func_a2 \n");
}
// 内部定义的【非静态】函数
void func_a3(void)
{
    printf("in func_a3 \n");
}
// 被 main 调用
void func_a1(void)
{
    printf("in func_a1 \n");
    // 操作内部变量
    a1 = 11;
    a2 = 21;
    // 操作外部变量
    b  = 31;
    // 调用内部函数
    func_a2();
    func_a3();
    // 调用外部函数
    func_b();
}

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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <dlfcn.h>
// 声明外部变量
extern int a2;
extern void func_a1();
typedef void (*pfunc)(void);

int main(void)
{
    printf("in main \n");
    // 打印此进程的全局符号表
    void *handle = dlopen(0, RTLD_NOW);
    if (NULL == handle)
    {
        printf("dlopen failed! \n");
        return -1;
    }
    printf("\n------------ main ---------------\n");
    // 打印 main 中变量符号的地址
    pfunc addr_main = dlsym(handle, "main");
    if (NULL != addr_main)
        printf("addr_main = 0x%x \n", (unsigned int)addr_main);
    else
        printf("get address of main failed! \n");
    printf("\n------------ liba.so ---------------\n");
    // 打印 liba.so 中变量符号的地址
    unsigned int *addr_a1 = dlsym(handle, "a1");
    if (NULL != addr_a1)
        printf("addr_a1 = 0x%x \n", *addr_a1);
    else
        printf("get address of a1 failed! \n");
    unsigned int *addr_a2 = dlsym(handle, "a2");
    if (NULL != addr_a2)
        printf("addr_a2 = 0x%x \n", *addr_a2);
    else
        printf("get address of a2 failed! \n");
    // 打印 liba.so 中函数符号的地址
    pfunc addr_func_a1 = dlsym(handle, "func_a1");
    if (NULL != addr_func_a1)
        printf("addr_func_a1 = 0x%x \n", (unsigned int)addr_func_a1);
    else
        printf("get address of func_a1 failed! \n");
    pfunc addr_func_a2 = dlsym(handle, "func_a2");
    if (NULL != addr_func_a2)
        printf("addr_func_a2 = 0x%x \n", (unsigned int)addr_func_a2);
    else
        printf("get address of func_a2 failed! \n");
    pfunc addr_func_a3 = dlsym(handle, "func_a3");
    if (NULL != addr_func_a3)
        printf("addr_func_a3 = 0x%x \n", (unsigned int)addr_func_a3);
    else
        printf("get address of func_a3 failed! \n");
    printf("\n------------ libb.so ---------------\n");
    // 打印 libb.so 中变量符号的地址
    unsigned int *addr_b = dlsym(handle, "b");
    if (NULL != addr_b)
        printf("addr_b = 0x%x \n", *addr_b);
    else
        printf("get address of b failed! \n");
    // 打印 libb.so 中函数符号的地址
    pfunc addr_func_b = dlsym(handle, "func_b");
    if (NULL != addr_func_b)
        printf("addr_func_b = 0x%x \n", (unsigned int)addr_func_b);
    else
        printf("get address of func_b failed! \n");
    dlclose(handle);
    // 操作外部变量
    a2 = 100;
    // 调用外部函数
    func_a1();
    // 为了让进程不退出，方便查看虚拟空间中的地址信息
    while(1) sleep(5);
    return 0;
}

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：

1. 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)。
2. 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：

$ gcc -m32 -fPIC --shared b.c -o libb.so
$ gcc -m32 -fPIC --shared a.c -o liba.so -lb -L./
$ gcc -m32 -fPIC main.c -o main -ldl -la -lb -L./

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。

当然，在加载liba.so时，又会发现它依赖libb.so，于是又把在虚拟地址空间中找一块能放得下libb.so的空闲空间，把libb.so中的代码段、数据段等加载到内存中，示意图如下所示：

动态链接器自身也是一个动态库，而且是一个特殊的动态库：它不依赖于其他的任何动态库，因为当它被加载的时候，没有人帮它去加载依赖的动态库，否则就形成鸡生蛋、蛋生鸡的问题了。

动态库的加载地址

一个进程在运行时的实际加载地址(或者说虚拟内存区域)，可以通过指令：$ cat /proc/[进程的 pid]/maps 读取出来。

例如：我的虚拟机中执行main程序时，看到的地址信息是：

黄色部分分别是：main, liba.so, libb.so 这3个模块的加载信息。

另外，还可以看到c库(libc-2.23.so)、动态链接器(ld-2.23.so)以及动态加载库libdl-2.23.so的虚拟地址区域，布局如下：

可以看出出来：main可执行程序是位于低地址，所有的动态库都位于4G内存空间的最后1G空间中。

还有另外一个指令也很好用 $ pmap [进程的 pid]，也可以打印出每个模块的内存地址：

符号重定位

全局符号表

在之前的静态链接中学习过，链接器在扫描每一个目标文件(.o文件)的时候，会把每个目标文件中的符号提取出来，构成一个全局符号表。

然后在第二遍扫描的时候，查看每个目标文件中需要重定位的符号，然后在全局符号表中查找该符号被安排在什么地址，然后把这个地址填写到引用的地方，这就是静态链接时的重定位。

但是动态链接过程中的重定位，与静态链接的处理方式差别就大很多了，因为每个符号的地址只有在运行的时候才能知道它们的地址。

例如：liba.so引用了libb.so中的变量和函数，而libb.so中的这两个符号被加载到什么位置，直到main程序准备执行的时候，才能被链接器加载到内存中的某个随机的位置。

也就是说：动态链接器知道每个动态库中的代码段、数据段被加载的内存地址，因此动态链接器也会维护一个全局符号表，其中存放着每一个动态库中导出的符号以及它们的内存地址信息。

在示例代码main.c函数中，我们通过dlopen返回的句柄来打印进程中的一些全局符号的地址信息，输出内容如下：

上文已经纠错过：本来是想打印变量的地址信息，但是 printf 语句中不小心加上了型号，变成了打印变量值。

可以看到：在全局符号表中，没有找到liba.so中的变量a1和函数func_a2这两个符号，因为它俩都是static类型的，在编译成动态库的时候，没有导出到符号表中。

既然提到了符号表，就来看看这 3 个ELF文件中的动态符号表信息：

1、动态链接库中保护两个符号表：.dynsym(动态符号表: 表示模块中符号的导出、导入关系) 和 .symtab(符号表: 表示模块中的所有符号)。

• .symtab 中包含了 .dynsym。

2、由于图片太大，这里只贴出 .dynsym 动态符号表。

绿色矩形框前面的Ndx列是数字，表示该符号位于当前文件的哪一个段中(即：段索引)。

红色矩形框前面的Ndx列是UND，表示这个符号没有找到，是一个外部符号(需要重定位)。

全局偏移表GOT

在我们的示例代码中，liba.so是比较特殊的，它既被main可执行程序所依赖，又依赖于libb.so。

而且，在liba.so中，定义了静态、动态的全局变量和函数，可以很好的概况很多种情况，因此这部分内容就主要来分析liba.so这个动态库。

前文说过：代码重定位需要修改代码段中的符号引用，而代码段被加载到内存中又没有可写的权限，动态链接解决这个矛盾的方案是：增加一层间接性。

例如：liba.so的代码中引用了libb.so中的变量b，在liba.so的代码段，并不是在引用的地方直接指向libb.so数据段中变量b的地址，而是指向了liba.so自己的数据段中的某个位置，在重定位阶段，链接器再把libb.so中变量b的地址填写到这个位置。

因为liba.so自己的代码段和数据段位置是相对固定的，这样的话，liba.so的代码段被加载到内存之后，就再也不用修改了。

而数据段中这个间接跳转的位置，就称作：全局偏移表(GOT: Global Offset Table)。

划重点：

liba.so的代码段中引用了libb.so中的符号b，既然b的地址需要在重定位时才能确定，那么就在数据段中开辟一块空间(称作：GOT表)，重定位时把b的地址填写到GOT表中。

而liba.so的代码段中，把GOT表的地址填写到引用b的地方，因为GOT表在编译阶段是可以确定的，使用的是相对地址。

这样，就可以在不修改liba.so代码段的前提下，动态的对符号b进行了重定位!

其实，在一个动态库中存在 2 个GOT表，分别用于重定位变量符号(section名称：.got)和函数符号( section 名称：.got.plt)。

也就是说：所有变量类型的符号重定位信息都位于.got中，所有函数类型的符号重定位信息都位于.got.plt中。

并且，在一个动态库文件中，有两个特殊的段(.rel.dyn和.rel.plt)来告诉链接器：.got和.got.plt这两个表中，有哪些符号需要进行重定位，这个问题下面会深入讨论。

liba.so动态库文件的布局

为了更深刻的理解.got和.got.plt这两个表，有必要来拆解一下liba.so动态库文件的内部结构。

通过readelf -S liba.so指令来看一下这个ELF文件中都有哪些section:

可以看到：一共有28个section，其中的21、22就是两个GOT表。

另外，从装载的角度来看，装载器并不是把这些sections分开来处理，而是根据不同的读写属性，把多个section看做一个segment。

再次通过指令 readelf -l liba.so ，来查看一下segment信息:

也就是说：

这28个section中(关注绿色线条)：

1. section 0 ~ 16 都是可读、可执行权限，被当做一个 segment。
2. section 17 ~ 24 都是可读、可写的权限，被动作另一个 segment。

再来重点看一下.got和.got.plt这两个section(关注黄色矩形框)：

可见：.got和.got.plt与数据段一样，都是可读、可写的，所以被当做同一个 segment被加载到内存中。

通过以上这2张图(红色矩形框)，可以得到liba.so动态库文件的内部结构如下：

liba.so动态库的虚拟地址

来继续观察liba.so文件segment信息中的AirtAddr列，它表示的是被加载到虚拟内存中的地址，重新贴图如下：

因为编译动态库时，使用了代码位置无关参数(-fPIC)，这里的虚拟地址从0x0000_0000开始。

当liba.so的代码段、数据段被加载到内存中时，动态链接器找到一块空闲空间，这个空间的开始地址，就相当于一个基地址。

liba.so中的代码段和数据段中所有的虚拟地址信息，只要加上这个基地址，就得到了实际虚拟地址。

我们还是把上图中的输出信息，画出详细的内存模型图，如下所示：

GOT表的内部结构

现在，我们已经知道了liba.so库的文件布局，也知道了它的虚拟地址，此时就可以来进一步的看一下.got和.got.plt这两个表的内部结构了。

从刚才的图片中看出：

1. .got 表的长度是 0x1c，说明有 7 个表项(每个表项占 4 个字节)。
2. .got.plt 表的长度是 0x18，说明有 6 个表项。

上文已经说过，这两个表是用来重定位所有的变量和函数等符号的。

那么：liba.so通过什么方式来告诉动态链接器：需要对.got和.got.plt这两个表中的表项进行地址重定位呢?

在静态链接的时候，目标文件是通过两个重定位表.rel.text和.rel.data这两个段信息来告诉链接器的。

对于动态链接来说，也是通过两个重定位表来传递需要重定位的符号信息的，只不过名字有些不同：.rel.dyn和.rel.plt。

通过指令 readelf -r liba.so来查看重定位信息：

从黄色和绿色的矩形框中可以看出：

1. liba.so 引用了外部符号 b，类型是 R_386_GLOB_DAT，这个符号的重定位描述信息在 .rel.dyn 段中。
2. liba.so 引用了外部符号 func_b, 类型是 R_386_JUMP_SLOT，这个符号的重定位描述信息在 .rel.plt 段中。

从左侧红色的矩形框可以看出：每一个需要重定位的表项所对应的虚拟地址，画成内存模型图就是下面这样：

暂时只专注表项中的红色部分：.got表中的b, .got.plt表中的func_b，这两个符号都是libb.so中导出的。

也就是说：

liba.so的代码中在操作变量b的时候，就到.got表中的0x0000_1fe8这个地址处来获取变量b的真正地址;

liba.so的代码中在调用func_b函数的时候，就到.got.plt表中的0x0000_200c这个地址处来获取函数的真正地址;

反汇编liba.so代码

下面就来反汇编一下liba.so，看一下指令码中是如何对这两个表项进行寻址的。

执行反汇编指令：$ objdump -d liba.so，这里只贴出func_a1函数的反汇编代码：

第一个绿色矩形框(call 490 <__x86.get_pc_thunk.bx>)的功能是：把下一条指令(add)的地址存储到%ebx中，也就是：

%ebx = 0x622

然后执行: add $0x19de,%ebx，让%ebx加上0x19de，结果就是：%ebx = 0x2000。

0x2000正是.got.plt表的开始地址!

看一下第2个绿色矩形框：

mov -0x18(%ebx),%eax: 先用%ebx减去0x18的结果，存储到%eax中，结果是：%eax = 0x1fe8，这个地址正是变量b在.got表中的虚拟地址。

movl $0x1f,(%eax)：在把0x1f(十进制就是31)，存储到0x1fe8表项中存储的地址所对应的内存单元中(libb.so的数据段中的某个位置)。

因此，当链接器进行重定位之后，0x1fe8表项中存储的就是变量b的真正地址，而上面这两步操作，就把数值31赋值给变量b了。

第3个绿色矩形框，是调用函数func_b，稍微复杂一些，跳转到符号 func_b@plt的地方，看一下反汇编代码：

jmp指令调用了%ebx + 0xc处的那个函数指针，从上面的.got.plt布局图中可以看出，重定位之后这个表项中存储的正是func_b函数的地址(libb.so中代码段的某个位置)，所以就正确的跳转到该函数中了。