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重学计算机组成原理(九)- 动态链接

2019.08.18 02:39 148浏览




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

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,然后提供给很多不同的程序进行链接就行了。

“链接”其实有点儿像我们日常生活中的标准化、模块化生产。

有一个可以生产标准螺帽的生产线,就可生产很多不同的螺帽。

只要需要螺帽,都可以通过链接的方式,去复制一个出来,放到需要的地方

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。

这就好比,假设每个人都有骑自行车的需要,那我们给每个人都生产一辆自行车带在身边,固然大家都有自行车用了,但是马路上肯定会特别拥挤。




1 链接可以分动、静,共享运行省内存

我们上一节解决程序装载到内存的时候,讲了很多方法。说起来,最根本的问题其实就是内存空间不够用。

如果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。

这个思路就引入一种新的链接方法,叫作动态链接(Dynamic Link)

相应的,我们之前说的合并代码段的方法,就是静态链接(Static Link)

在动态链接的过程中,我们想要“链接”的,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(Shared Libraries)

这个加载到内存中的共享库会被很多个程序的指令调用到。

  • 在Windows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) 用了“动态链接”的意思

  • 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)。 用了“共享”的意思

正好覆盖了两方面的含义。




2 地址无关很重要,相对地址解烦恼

要在程序运行的时候共享代码,这些机器码必须“地址无关”

也就是说,我们编译出来的共享库文件的指令代码,是地址无关码(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

如果还不明白,我给你举一个生活中的例子 如果我们有一个骑自行车的程序,要“前进500米,左转进入天安门广场,再前进500米”。 它在500米之后要到天安门广场了,这就是地址相关的。 如果程序是“前进500米,左转,再前进500米”,无论你在哪里都可以骑车走这1000米,没有具体地点的限制,这就是地址无关的。

大部分函数库其实都可以做到地址无关,因为它们都接受特定的输入,进行确定的操作,然后给出返回结果就好了。

无论是实现一个向量加法,还是实现一个打印的函数,这些代码逻辑和输入的数据在内存里面的位置并不重要。

而常见的地址相关的代码,比如绝对地址代码(Absolute Code)、利用重定位表的代码等等,都是地址相关的代码




对于所有动态链接共享库的程序来讲,虽然我们的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。

没办法、也不应该要求动态链接同一个共享库的不同程序,必须把这个共享库所使用的虚拟内存地址变成一致。

如果这样的话,我们写的程序就必须明确地知道内部的内存地址分配。

那么问题来了,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?

动态代码库内部的变量和函数调用都很容易解决,我们只需要使用相对地址(Relative Address)

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 整个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。

3 动态链接的解决方案

PLT和GOT

要实现动态链接共享库,也并不困难,和前面的静态链接里的符号表和重定向表类似

拿出一小段代码来看一看。

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





  • lib.c 包含了lib.h的实际实现





  • show_me_poor.c  调用了 lib 里面的函数





  • 把 lib.c 编译成了一个动态链接库,也就是 .so 文件





  • 最终生成文件集





在编译的过程中,指定了一个 -fPIC 的参数

其实就是Position Independent Code意,也就是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。





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]

我们还是只关心整个可执行文件中的一小部分内容

  • 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:





这里后面有一个@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400580这个地址。

那当我们把目光挪到上面的 400580 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:




这里的 GLOBAL_OFFSET_TABLE,就是我接下来要说的全局偏移表。

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。

所有需要引用当前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,则是在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面的代码所使用的地址,

而是各个程序各自维护好自己的GOT,能够找到对应的动态库就好了




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,共享库就是地址无关的代码,对应的各个程序只需在物理内存里加载同一份代码

而我们又要通过各个可执行程序在加载时,生成的各不相同的GOT表,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面的动态地址来调用。

4 总结

终于在静态链接和程序装载后,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

  • 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程序开发,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。

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。

通过动态链接这个方式,可以说彻底解决了这个问题。

就像共享单车一样,如果仔细经营,是一个很有社会价值的事情,但是如果粗暴地把它变成无限制地复制生产,给每个人造一辆,只会在系统内制造大量无用的垃圾。

已经把程序怎么从源代码变成指令、数据,并装载到内存里面,由CPU一条条执行下去的过程讲完了。希望你能有所收获,对于一个程序是怎么跑起来的,有了一个初步的认识。

5 推荐阅读

想要更加深入地了解动态链接,推荐你可以读一读《程序员的自我修养:链接、装载和库》的第7章





里面深入地讲解了,动态链接里程序内的数据布局和对应数据的加载关系。

参考

  • 深入浅出计算机组成原理


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