动态链接

发表于 2022-01-04 分类于计算机组成原理本文字数： 3.9k 阅读时长 ≈ 4 分钟

动态链接：程序内部的“共享单车”

程序的链接，是把对应的不同文件内的代码段，合并到一起，成为最后的可执行文件。这个链接的方式，让我们在写代码的时候做到了“复用”。同样的功能代码只要写一次，然后提供给不同的程序进行链接就行了。

这么说来，“链接”其实有点儿像我们日常生活中的标准化、模块化生产。但是，如果我们有很多个程序都要通过装载器装载到内存里面，那里面链接好的同样的功能代码，也都需要再装载一遍，再占一遍内存空间。岂不是显得很冗余？

链接可以分动、静，共享运行省内存

如果我们能够让同样功能的代码，在不同的程序里面，不需要各占一份内存空间，那该有多好啊！就好比，现在马路上的共享单车，我们并不需要给每个人都造一辆自行车，只要马路上有这些单车，谁需要的时候，直接通过手机扫码，都可以解锁骑行。

这个思路引入一个新的链接方法，叫作动态链接（Dynamic Link）。相应地，我们之前说的合并代码段的方法，就是静态链接（Static Link）。

在DL中，我们想要的链接不是存储在硬盘上的目标文件代码，而是加载到内存中的共享库。这个共享库的代码会被很多个程序的指令调用到。win系统下，这些共享库文件就是 .dll文件，也就是Dynamic-Link Libary（DLL，动态链接库）。在 Linux 下，这些共享库文件就是.so 文件，也就是 Shared Object（一般我们也称之为动态链接库）。

地址无关很重要，相对地址解烦恼

想要在程序运行时共享代码，也有一定的要求，就是这些机器码必须是“地址无关”的。也就是，编译出来的共享库中的指令代码，是地址无关的（Position-Independent Code）。换句话说就是，这段代码，无论加载在哪个内存地址，都能够正常执行。

对于所有动态链接共享库的程序来说，虽然共享库用的都是同一段物理内存地址，但是在不同的应用程序里，它所在的虚拟内存地址是不同的的。

我们要怎么样才能做到，动态共享库编译出来的代码指令，都是地址无关码呢？

需需要使用相对地址（Relative Address）就好了。各种指令中使用到的内存地址，给出的不是一个绝对的地址空间，而是一个相对于当前指令偏移量的内存地址。因为共享库是放在一段连续的虚拟内存地址中的，无论装载到哪一段地址，不同指令之间的相对地址都是不变的。

PLT 和 GOT，动态链接的解决方案

我们还是拿出一小段代码来看一看。

首先，lib.h 定义了动态链接库的一个函数 show_me_the_money。

// lib.h
#ifndef LIB_H
#define LIB_H

void show_me_the_money(int money);

#endif

lib.c 包含了 lib.h 的实际实现。


// lib.c
#include <stdio.h>


void show_me_the_money(int money)
{
    printf("Show me USD %d from lib.c \n", money);
}

然后，show_me_poor.c 调用了 lib 里面的函数。


// show_me_poor.c
#include "lib.h"
int main()
{
    int money = 5;
    show_me_the_money(money);
}

最后，我们把 lib.c 编译成了一个动态链接库，也就是 .so 文件。


$ gcc lib.c -fPIC -shared -o lib.so
$ gcc -o show_me_poor show_me_poor.c ./lib.so

在编译的过程中，我们指定了一个 -fPIC 的参数。这个参数其实就是 Position Independent Code 的意思，也就是我们要把这个编译成一个地址无关代码。

然后，我们再通过 gcc 编译 show_me_poor 动态链接了 lib.so 的可执行文件。在这些操作都完成了之后，我们把 show_me_poor 这个文件通过 objdump 出来看一下。

1	$ objdump -d -M intel -S show_me_poor


……
0000000000400540 <show_me_the_money@plt-0x10>:
  400540:       ff 35 12 05 20 00       push   QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a58 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
  400546:       ff 25 14 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200514]        # 600a60 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
  40054c:       0f 1f 40 00             nop    DWORD PTR [rax+0x0]

0000000000400550 <show_me_the_money@plt>:
  400550:       ff 25 12 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a68 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>
  400556:       68 00 00 00 00          push   0x0
  40055b:       e9 e0 ff ff ff          jmp    400540 <_init+0x28>
……
0000000000400676 <main>:
  400676:       55                      push   rbp
  400677:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  40067a:       48 83 ec 10             sub    rsp,0x10
  40067e:       c7 45 fc 05 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5
  400685:       8b 45 fc                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  400688:       89 c7                   mov    edi,eax
  40068a:       e8 c1 fe ff ff          call   400550 <show_me_the_money@plt>
  40068f:       c9                      leave  
  400690:       c3                      ret    
  400691:       66 2e 0f 1f 84 00 00    nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
  400698:       00 00 00 
  40069b:       0f 1f 44 00 00          nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
……

在 main 函数调用 show_me_the_money 的函数的时候，对应的代码是这样的：

1	call 400550 <show_me_the_money@plt>

后面有一个 @plt 的关键字，代表了我们需要从 PLT，也就是程序链接表（Procedure Link Table）里面找要调用的函数。对应的地址呢，则是 400550 这个地址。

当我们把目光挪到上面的 400550 这个地址，你又会看到里面进行了一次跳转，这个跳转指定的跳转地址，你可以在后面的注释里面可以看到，GLOBAL_OFFSET_TABLE+0x18。这里的 GLOBAL_OFFSET_TABLE，就是我接下来要说的全局偏移表。

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2
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400550:       ff 25 12 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a68 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>

在动态链接对应的共享库，我们在共享库的 data section 里面，保存了一张全局偏移表（GOT，Global Offset Table）。虽然共享库的代码部分的物理内存是共享的，但是数据部分是各个动态链接它的应用程序里面各加载一份的。需要引用共享库外部的地址的指令，都会查询GOT ，来 找到当前运行程序的虚拟内存里的对应位置。而 GOT 表里的数据，则是我们加载一个个共享库的时候写进去的。

不同的进程，调用同样的 lib.so，各自 GOT 里面指向最终加载的动态链接库里面的虚拟内存地址是不同的。

这样，虽然不同的程序调用的同样的动态库，各自的内存地址是独立的，调用的又都是同一个动态库，但是不需要去修改动态库里的代码所使用的地址，而是各自程序各自维护好自己的 GOT ，能够找到对应的动态库就行

GOT 表位于共享库自己的数据段里，GOT 表在内存里和对应的代码段位置之间的偏移量始终是确定的。
这样，我们的共享库就是地址无关的代码，对应的各个程序只需要在物理内存里面加载同一份代码。而我们又要通过各个可执行程序在加载时，生成各个不同的 GOT 表，来找到它需要调用到的外部变量和函数的地址。
这是一个典型的、不修改代码，而是通过修改“地址数据”来进行关联的办法。它有点像我们在 C 语言里面用函数指针来调用对应的函数，并不是通过预先已经确定好的函数名称来调用，而是利用当时它在内存里的动态地址来调用。

总结延伸：

利用动态链接把我们的内存利用到了极致。同样功能的代码生成的共享库，我们只要在内存里面保留一份就好了。这样，我们不仅能够做到代码在开发阶段的复用，也能做到代码在运行阶段的复用。

实际上，在进行 Linux 下的程序开发的时候，我们一直会用到各种各样的动态链接库。C 语言的标准库就在 1MB 以上。我们撰写任何一个程序可能都需要用到这个库，常见的 Linux 服务器里，/usr/bin 下面就有上千个可执行文件。如果每一个都把标准库静态链接进来的，几 GB 乃至几十 GB 的磁盘空间一下子就用出去了。如果我们服务端的多进程应用要开上千个进程，几 GB 的内存空间也会一下子就用出去了。这个问题在过去计算机的内存较少的时候更加显著。

(内存中的共享库)