程序的链接(五)：共享库和动态链接

上一篇文章已经介绍了静态链接的过程，但实际上动态链接才是用的最多的。
因为静态库有如下缺点：

• 库函数（如printf）被包含在每个运行进程的代码段中，对于并发运行上百个进程的系统，造成极大的资源浪费。
• 库函数（如printf）被合并在可执行目标文件中，磁盘上存放着数千个可执行文件，造成磁盘空间的极大浪费。
• 如果静态库需要更新，则需要与所有可重定位目标文件一起重新编译生成新的可执行文件。非常不便。

解决方案：使用共享库（Shared Libraries）。

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再讲共享库和动态链接之前，有必要了解一下可执行文件加载的大致过程。

可执行文件的加载

可执行文件加载的大致步骤如下：

• shell进程先获取可执行文件的命令行参数，然后调用fork创建子进程，然后在子进程中利用命令行参数来构造argv和envp，以便作为参数来调用execve()函数，该函数会调用加载器（Loader），加载器根据可执行文件的程序头表中的信息，将可执行文件的代码和数据“拷贝”到进程地址空间中（这里的拷贝并不是真的拷贝，只是建立一种映射）。然后将PC（EIP）设定指向Entry point（即符号_start处），最终执行main函数，开始执行程序。

该过程大致如下图：

image.png

从_start()入口到main()函数之间，还调用了几个函数，如图：

image.png

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动态链接

动态链接可以按以下两种方式进行：

• 在第一次加载并运行时（load-time linking）

Linux通常由动态链接器（ld-linux.so）自动处理；
标准C库（libc.so）通常是按照这种方式被动态链接的。

• 在程序已经开始运行后进行（run-time linking）

在Linux中，通过调用dlopen()等接口来实现；

1.加载时动态链接

依旧是用一个简单的示例来阐述。

首先，自定义一个共享库mylib.so

image.png

进行动态链接，生成可执行文件

image.png

2.运行时动态链接

运行时的动态链接的示例如下：

#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>

int main()
{
    void *handle;
    void (*myfunc1)();
    char *error;
    /* 动态装入包含函数myfunc1()的共享库文件 */
    handle = dlopen("./mylib.so", RTLD_LAZY);
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        exit(1);
    }
    /* 获得一个指向函数myfunc1()的指针myfunc1*/
    myfunc1 = dlsym(handle, "myfunc1");
    if ((error = dlerror()) != NULL) {
        fprintf(stderr, "%s\n", error);
        exit(1);
    }
    /* 现在可以像调用其他函数一样调用函数myfunc1() */
    myfunc1();
    /* 关闭（卸载）共享库文件 */
    if (dlclose(handle) < 0) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        exit(1);
    }
    return 0;
}

上面提到位置无关代码（PIC，全称：Position-Independent Code），这是动态链接中一个重要的概念：

• 可通过GCC的-fPIC选项指示生成PIC代码；
• 共享库代码是一种PIC，也就是说共享库代码的位置可以是不确定的，而且即便共享库的代码长度发生了变化，也不影响调用它的程序。
• 引入PIC的目的是，链接器无需修改代码即可将共享库加载到任意地址运行。
• 另外，动态链接的符号引用有如下4种情况：

(1) 模块内的过程调用、跳转，采用PC相对偏移寻址；
(2) 模块内的数据访问，如模块内的全局变量和静态变量
(3) 模块外的过程调用、跳转 【要生成PIC代码来解决】
(4) 模块外的数据访问，如外部变量的访问【要生成PIC代码来解决】。

• (1) 模块内部的函数调用或跳转
  

  image.png

• (2) 模块内部的数据引用
  

  image.png

• (3) 模块外数据的引用 —— 利用GOT来完成重定位
  

  image.png

• (4) 模块间的函数调用或跳转 —— 利用GOT或 GOT/PLT 来完成重定位
  

  image.png
  image.png