庫用于將相似函數打包在一個單元中。Linux 支持兩種類型的庫：靜態庫（在編譯時靜態綁定到程序）和動態庫（在運行時綁定到程序）。Linux 系統使用的動態庫是ELF 格式，后綴名為so 。
1 加載動態庫內部劃分為段，段分為不同的類型：
其他段類型暫不說明。
加載器將庫文件第一個PT_LOAD 段和最后一個PT_LOAD 段之間的內容映射到一段連續的內存地址空間（好處是任意代碼和數據的相對地址固定），其首地址稱為基地址 （如圖）。
庫的加載只是把文件內容映射到內存地址，但沒有真正讀取文件數據，在發生內存缺頁異常時才由操作系統讀入對應的文件數據到內存。延遲讀取文件可以加快庫的加載速度。
1.1 預鏈接一般來說，映射的基地址是不固定的，但如果動態庫使用了預鏈接（ prelink ） 技術，則會被映射到預定的地址（保存在文件上）。如果預定的地址范圍已經被占用了，則加載失敗（Androidlinker 是這樣，其他加載器可能不同）。Prelink 的好處是簡化重定位，加快加載速度。
2 重定位2.1 內部函數和變量在沒有使用prelink 的情況下，庫的基地址不是固定的（運行時才確定），其全局變量和函數的絕對地址也不是固定的。由于庫加載之后任意代碼和數據的相對地址是固定的（如前一節所述），因此一些系統（如x86 ）可以使用相對地址來訪問全局變量和函數。ARM 系統由于指令長度限制（32 位），無法在指令中直接使用大范圍的偏移量（但可通過寄存器指定），另外絕對地址在執行效率上要優于相對地址，因此還是需要重定位。
如這個例子：
[cpp] view plaincopyprint?
__attribute__((visibility("hidden" )))int ?errBase?=?1;?? void ?setErr(){?errBase?=?0x999;?}??
__attribute__((visibility("hidden")))int errBase = 1;
void setErr(){ errBase = 0x999; }
編譯得到so ，然后反編譯（ARM 架構）：
[plain] view plaincopyprint?
$?gcc?-shared-nostdlib?-o?libtest.so?test.c?? $?objdump?-dlibtest.so?? 000002c4<setErr>:?? 2c4:??mov????ip,sp?? 2c8:??push???{fp,ip,?lr,?pc}?? 2cc:??sub????fp,ip,?#4?? 2d0:??ldr????r2,[pc,?#12]??????;?r2?=?&errBase?? 2d4:??mov????r3,#2448??????????;?r3?=?990?? 2d8:??add????r3,r3,?#9?????????;?r3?+=?9?? 2dc:??str????r3,[r2]???????????;?*r2?=?r3?? 2e0:??ldm????sp,{fp,?sp,?pc}?? 2e4:??.word??0x0000109c????????;?這里保存著errBase變量的地址??
$ gcc -shared-nostdlib -o libtest.so test.c
$ objdump -dlibtest.so
000002c4<setErr>:
2c4: mov ip,sp
2c8: push {fp,ip, lr, pc}
2cc: sub fp,ip, #4
2d0: ldr r2,[pc, #12] ; r2 = &errBase
2d4: mov r3,#2448 ; r3 = 990
2d8: add r3,r3, #9 ; r3 += 9
2dc: str r3,[r2] ; *r2 = r3
2e0: ldm sp,{fp, sp, pc}
2e4: .word 0x0000109c ; 這里保存著errBase變量的地址
查看重定位表：
[plain] view plaincopyprint?
$?readelf?-rlibtest.so?? Relocationsection?'.rel.dyn'?at?offset?0x2bc?contains?1?entries:?? Offset????Info???????Type????????????Sym.Value??Sym.?Name?? 000002e4??00000017???R_ARM_RELATIVE??
$ readelf -rlibtest.so
Relocationsection '.rel.dyn' at offset 0x2bc contains 1 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
000002e4 00000017 R_ARM_RELATIVE
對比匯編代碼和重定位表，2e4 即是保存errBase 變量地址的偏移量。
重定位表中一個RELATIVE 類型的表項，指向變量和函數的相對地址，加載器把它加上基地址，使成為絕對地址。如果使用了prelink ，則不需要進行重定位。
2.2 外部函數和變量外部變量和函數是指目標庫引用依賴庫的變量和函數，需要加載器在依賴庫的符號表 查找對應的名稱和絕對地址，然后寫入目標庫的全局偏移量表（ GlobalOffset Table ，簡稱 GOT ） 。目標庫通過GOT 來訪問外部變量和函數。
外部變量重定位對應一個GLOB_DAT 類型 的表項，外部函數重定位對應一個JMP_SLOT 類型 表項，表項的值是外部變量或函數的絕對地址，由加載器進行設置。
如這個例子：
[cpp] view plaincopyprint?
extern ?interrBase;??void ?setErr(){?errBase?=?0x999;?}??
extern interrBase;
void setErr(){ errBase = 0x999; }
編譯得到so ，然后反編譯（ARM 架構）：
[cpp] view plaincopyprint?
$?gcc?-shared-nostdlib?-o?libtest.so?test.c?? $?objdump?-dlibtest.so?? 00000218<setErr>:?? 218:??push???{fp}?? 21c:??add????fp,sp,?#0?? 220:??ldr????r3,[pc,?#28]????;?r3=GOT偏移?? 224:??add????r3,pc,?r3???????;?r3=GOT地址?? 228:??ldr????r2,[pc,?#24]????;?r2=errBase項在GOT的偏移?? 22c:??ldr????r3,[r3,?r2]?????;?r3=errBase的地址?? 230:??ldr????r2,[pc,?#20]????;?r2=0x999?? 234:??str????r2,[r3]?????????;?r3=r2?? 238:??add????sp,fp,?#0?? 23c:??pop????{fp}?? 240:??bx?????lr?? 244:??.word??0x00008dc4??????;?GOT偏移?? 248:??.word??0x0000000c??????;?errBase在GOT的偏移?? 24c:??.word??0x00000999??
$ gcc -shared-nostdlib -o libtest.so test.c
$ objdump -dlibtest.so
00000218<setErr>:
218: push {fp}
21c: add fp,sp, #0
220: ldr r3,[pc, #28] ; r3=GOT偏移
224: add r3,pc, r3 ; r3=GOT地址
228: ldr r2,[pc, #24] ; r2=errBase項在GOT的偏移
22c: ldr r3,[r3, r2] ; r3=errBase的地址
230: ldr r2,[pc, #20] ; r2=0x999
234: str r2,[r3] ; r3=r2
238: add sp,fp, #0
23c: pop {fp}
240: bx lr
244: .word 0x00008dc4 ; GOT偏移
248: .word 0x0000000c ; errBase在GOT的偏移
24c: .word 0x00000999
查看重定位表：
[cpp] view plaincopyprint?
$readelf?-rlibtest.so?? Relocationsection?'.rel.dyn' ?at?offset?0x210?contains?1?entries:?? Offset??????Info????????Type??????????????Sym.Value????Sym.Name?? 00008ffc????00000415????R_ARM_GLOB_DAT????00000000?????errBase??
$readelf -rlibtest.so
Relocationsection '.rel.dyn' at offset 0x210 contains 1 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym.Name
00008ffc 00000415 R_ARM_GLOB_DAT 00000000 errBase
8ffcc 正好對應errBase 的GOT 表項地址。
2.3 延遲綁定外部函數和變量的重定位需要查找依賴庫的符號表，并進行字符串比較，效率較低，不過一般一個庫使用的外部變量和函數都不會太多。如果使用了較多的外部函數，為了加快動態庫加載速度，可以使用過程鏈接表（ ProcedureLinkageTable ，簡稱 PLT ） ，把外部函數的定位延遲到第一次調用的時候（稱為延遲綁定）。函數延遲綁定需要編譯器對函數調用生成額外的代碼，主要由編譯器實現。
看這個例子：
[cpp] view plaincopyprint?
voidprintf1(const ?char *,?...);?? void ?setErr(){?printf1("setErr\n" );?}??
voidprintf1(const char*, ...);
void setErr(){ printf1("setErr\n"); }
對應匯編代碼（x86-64 ）：
[html] view plaincopyprint?
4c0< printf1 @plt> :?? 4c0:??jmpq???*0x200b3a(%rip)?? 4c6:??pushq??$0x0?? 4cb:??jmpq???4b0?< _init +0x18> ?? ?? 5ac?< setErr > :?? 5ac:??push???%rbp?? 5ad:??mov????%rsp,%rbp?? 5b0:??lea????0x5f(%rip),%rdi?? 5b7:??mov????$0x0,%eax?? 5bc:??callq??4c0?? 5c1:??pop????%rbp?? 5c2:??retq??
4c0<printf1@plt>:
4c0: jmpq *0x200b3a(%rip)
4c6: pushq $0x0
4cb: jmpq 4b0 <_init+0x18>5ac <setErr>:
5ac: push %rbp
5ad: mov %rsp,%rbp
5b0: lea 0x5f(%rip),%rdi
5b7: mov $0x0,%eax
5bc: callq 4c0
5c1: pop %rbp
5c2: retq
調用printf1 會調用printf1@plt ，然后跳轉到*0x200b3a(%rip) ，即*( 基地址+0x201000 ）。
如果是第一次執行，*0x( 基地址+0x201000) 的值是( 基地址+4c6) ，后面的代碼會進行函數綁定，對應的重定位項是：
[plain] view plaincopyprint?
$?readelf?-rlibtest.so?? Relocationsection?'.rela.plt'?at?offset?0x468?contains?2?entries:?? 201000?000300000007?R_X86_64_JUMP_SLO??printf1?+?0??
$ readelf -rlibtest.so
Relocationsection '.rela.plt' at offset 0x468 contains 2 entries:
201000 000300000007 R_X86_64_JUMP_SLO printf1 + 0
綁定之后*0x( 基地址+0x201000) 會對應printf1 函數的地址，下次再進入printf1@plt ，就可以直接跳轉到printf1 函數了。
2.4 位置無關代碼一般來說，程序和動態庫的代碼和只讀數據被加載到內存之后，可以被多個進程共享，但被寫的臟數據則不能被多個進程共享。RELATIVE 類型的重定位會修改代碼段的變量地址，導致代碼段被污染，從而不能被多個進程共享。為了讓動態庫的代碼段可以在進程間共享，可以讓編譯器編譯出位置無關代碼（簡稱 PIC ） ，通過GOT 來訪問變量和函數。
PIC 使代碼段可在進程間共享，從而節省了內存，但是通過GOT 表來訪問變量和函數會比相對定位慢一點，如果沒有需要則可以不使用PIC 。
總結
以上是生活随笔 為你收集整理的ELF动态库加载技术 的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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