摘 要：本文介绍了动态连接库的优点，详细阐述了x86体系结构上Linux系统的编译器 、连接器、加载器如何使用多种重定位方式来实现该功能 关键词：动态连接库；Linux；重定位 The Implementation Mechanism of DLL under Linux 【Abstract】In this paper, we discuss the advantage of using dynamic linking . We also demonstrate in detail how compiler, linker and loader implement th is feature by using several kinds of relocations under nowadays Linux system , especially on x86 architectures. 【KeyWords】dynamic link library; DLL; Linux; relocation Linux与Windows的动态连接库概念相似，但是实现机制不同。它引入了GOT表和PLT表的 概念，综合使用了多种重定位项，实现了"浮动代码"，达到了更好的共享性能。本文对 这些技术逐一进行了详细讨论。 本文着重讨论x86体系结构，这是因为(1)运行Linux的各种体系结构中，以x86最为普及 ；(2)该体系结构上的Windows操作系统广为人知，由此可以较容易的理解Linux的类似概 念； 下表列出了Windows与Linux的近义词，文中将不加以区分： Windows Linux 动态连接库(DLL) Shared Object 目标文件(.obj) 文件名结尾常是 .o 可执行文件(.exe) Executable（文件名无特定标志） 连接器(link.exe) Linker Editor (ld) 加载器(exec/loader) Dynamic Linker (ld-linux.so) 段(segment) 节(section) 一些关键字在本文中有特定含义，需要澄清： 编译单元：一个C语言源文件，经过编译后将生成一个目标文件 运行模块：一个动态连接库或者一个可执行文件。简称为模块 自动变量、函数：C语言auto关键字修饰的对象 静态变量、函数：C语言static关键字修饰的对象 全局变量、函数：C语言extern关键字修饰的对象 1 动态连接库的优点 程序编制一般需经编辑、编译、连接、加载和运行几个步骤。由于一些公用代码需要反 复使用，就把它们预先编译成目标文件并保存在"库"中。当它与用户程序的目标文件连 接时，连接器得从库中选取用户程序需要的代码，然后复制到生成的可执行文件中。这 种库称为静态库，其特点是可执行文件中包含了库代码的一份完整拷贝。显然，当静态 库被多个程序使用时，磁盘上、内存中都是多份冗余拷贝。 而使用动态连接库就克服了这个缺陷。当它与用户程序的目标文件连接时，连接器只是 作上标记，说明程序需要该动态连接库，而不真的把库代码复制到可执行文件中；仅当 可执行文件运行时，加载器根据这个标记，检查该库是否已经被其它可执行文件加载进 内存。如果已存在于内存中，不用再从磁盘上加载，只要共享内存中已有的代码即可。 这样磁盘、内存中始终只有一份代码，较静态库为优。 2 Linux动态连接库的重要特点：浮动代码 在Windows中，连接生成动态连接库时要指定一个首地址。应用程序运行时，加载器将尽 可能把动态连接库装入到该地址；如果地址已被占用，该动态连接库只能被加载到其它 地址空间内，这时就要对库中的代码和数据进行修补，或叫做重定位。如此一来，库的 多个实例在内存中经过重定位后，彼此将不尽相同，自然不再能共享了。为了避免这个 缺陷，Windows自带的库都指定了互不重叠的地址，尽管如此，其它软件厂商的产品仍然 不可避免的使用重叠地址，由此部分丧失了使用动态连接库的好处。 在Linux中，为了达到更好的共享性能，使用了与Windows不一样的策略：浮动代码（Po sition Independent Code，简称PIC）。具体说，使用的转移指令都是相对于当前程序 计数器（IP）的偏移量；代码中引用变量、函数的地址都是相对于某个基地址的偏移量 。总之，从不引用一个绝对地址。这样，动态连接库无论被加载到什么地址空间，不用 修补代码就可以正常工作。既然只有一份代码，就容易实现共享了。 值得指出，此处所指的共享，是指为了节省存储器，多个进程使用动态连接库代码段、 只读数据段在内存中的唯一映像；另一种常用的共享定义，是指多个进程对同一段（可 能是动态分配的）存储区进行读写，实现进程间通信（IPC）。后一种共享定义与本文无 可执行文件运行时，加载器根据这个标记，检查该库是否已经被其它可执行文件加载进 内存。如果已存在于内存中，不用再从磁盘上加载，只要共享内存中已有的代码即可。 这样磁盘、内存中始终只有一份代码，较静态库为优。 2 Linux动态连接库的重要特点：浮动代码 在Windows中，连接生成动态连接库时要指定一个首地址。应用程序运行时，加载器将尽 可能把动态连接库装入到该地址；如果地址已被占用，该动态连接库只能被加载到其它 地址空间内，这时就要对库中的代码和数据进行修补，或叫做重定位。如此一来，库的 多个实例在内存中经过重定位后，彼此将不尽相同，自然不再能共享了。为了避免这个 缺陷，Windows自带的库都指定了互不重叠的地址，尽管如此，其它软件厂商的产品仍然 不可避免的使用重叠地址，由此部分丧失了使用动态连接库的好处。 在Linux中，为了达到更好的共享性能，使用了与Windows不一样的策略：浮动代码（Po sition Independent Code，简称PIC）。具体说，使用的转移指令都是相对于当前程序 计数器（IP）的偏移量；代码中引用变量、函数的地址都是相对于某个基地址的偏移量 。总之，从不引用一个绝对地址。这样，动态连接库无论被加载到什么地址空间，不用 修补代码就可以正常工作。既然只有一份代码，就容易实现共享了。 值得指出，此处所指的共享，是指为了节省存储器，多个进程使用动态连接库代码段、 只读数据段在内存中的唯一映像；另一种常用的共享定义，是指多个进程对同一段（可 能是动态分配的）存储区进行读写，实现进程间通信（IPC）。后一种共享定义与本文无 关。 3 Linux动态连接库的实现机制：重定位 3.1 重定位概述 浮动代码通过重定位操作得以实现。而重定位可以按多种标准进行分类： -- 按发生的地点，可分成对代码段（.text）重定位和对数据段（.data）重定位。 -- 按发生的时间，可分成连接时重定位和加载时重定位（加载时重定位也称为动态重定 位）。但这两步并不总是必不可少的。例如，要实现浮动代码就不能对代码段进行动态 重定位，这时采取的办法是，把需要动态重定位的项搬到数据段中去，然后在代码段中 引用这些项。 -- 按重定位项引用的对象，可分成数据引用和函数引用。如果引用的是静态数据或静态 函数，连接器会优化生成的代码，去掉动态重定位项。 -- 从字面上讲， x86体系结构上的Linux使用了多种重定位方式，名字前缀以"R_386_" ，后面分别接：32、GOT32、PLT32、COPY、GLOB_DAT、JMP_SLOT、RELATIVE、GOTOFF、 GOTPC。每种方式都有特定的含义。 以上几种分类中最重要的是按地点分类。而下文也将以它为主线，逐一介绍各种重定位 项。首先，引入两个关键概念：GOT表和PLT表。 3.2 GOT表 GOT（Global Offset Table）表中每一项都是本运行模块要引用的一个全局变量或函数 的地址。可以用GOT表来间接引用全局变量、函数，也可以把GOT表的首地址作为一个基 准，用相对于该基准的偏移量来引用静态变量、静态函数。 由于加载器不会把运行模块加载到固定地址，在不同进程的地址空间中，各运行模块的 绝对地址、相对位置都不同。这种不同反映到GOT表上，就是每个进程的每个运行模块都 有独立的GOT表，所以进程间不能共享GOT表。 在x86体系结构上，本运行模块的GOT表首地址始终保存在%ebx寄存器中。编译器在每个 函数入口处都生成一小段代码，用来初始化%ebx寄存器。这一步是必要的，否则，如果 对该函数的调用来自另一运行模块，%ebx中就是调用者模块的GOT表地址；不重新初始化 %ebx就用来引用全局变量和函数，当然出错。 3.3 PLT表 PLT（Procedure Linkage Table）表每一项都是一小段代码，对应于本运行模块要引用 的一个全局函数。以对函数fun的调用为例，PLT中代码片断如下： .PLTfun: jmp *fun@GOT(%ebx) pushl $offset jmp .PLT0@PC 其中引用的GOT表项被加载器初始化为下一条指令（pushl)的地址，那么该jmp指令相当 于nop空指令。 用户程序中对fun的直接调用经编译连接后生成一条call fun@PLT指令，这是一条相对跳 转指令（满足浮动代码的要求！），跳到.PLTfun。如果这是本运行模块中第一次调用该 函数，此处的jmp等于一个空指令，继续往下执行，接着就跳到.PLT0。该PLT项保留给编 译器生成的额外代码，会把程序流程引入到加载器中去。加载器计算fun的实际入口地址 ，填入fun@GOT表项。图示如下： user program -------------- call fun@PLT v DLL PLT table loader -------------- -------------- ----------------------- fun: <-- jmp*fun@GOT --> change GOT entry from $loader to $fun, v then jump to there GOT table -------------- fun@GOT:$loader 第一次调用以后，GOT表项已指向函数的正确入口。以后再有对该函数的调用，跳到PLT 表后，不再进入加载器，直接跳进函数正确入口了。从性能上分析，只有第一次调用才 要加载器作一些额外处理，这是完全可以容忍的。还可以看出，加载时不用对相对跳转 的代码进行修补，所以整个代码段都能在进程间共享。 熟悉Windows的程序员很容易注意到，GOT表、PLT表与Windows中的引入表（Import）有 类似之处。其它对应关系还有： Linux的version script与Windows的.DEF文件；Linux 的dynamic symbols section与Windows的输出表（EXPort）。不再举更多例子了。 3.4 代码段重定位 需要说明，由浮动代码的要求，代码段内不应该存在重定位项。此处只是借用了"在代码 段中"这个短语，实际的重定位项还是位于数据段的GOT表内。尽管如此，它与3.5节"数 据段中的重定位"的区别是很明显的。 a) 装载GOT表首地址 使用GOT表当然事先要知道它的首地址，然而该首地址会随运行模块被加载的首地址不同 而不同。Linux使用了一个技巧在运行时求出正确的GOT表首地址。代码片断如下，紧接 其后列出的是对应的目标文件（.o）与动态连接库（.so）中的重定位项类型： call L1 L1: popl %ebx addl $GOT+[.-.L1], %ebx .o: R_386_GOTPC .so: NULL 如前所述，该代码片断存在于每个函数的入口处。程序第一句把当前程序计数器（IP） 值推进堆栈，第二句又把它从堆栈中弹出来，结果相当于movl %eip, %ebx，只不过合法 的x86指令集中不允许%eip作为操作数而已。然后第三句把%ebx加上一个GOT表与IP值的 差，这个差值是个与动态连接库加载首地址无关的常数，在连接时即可求出。整个过程 用类C语言描述如下： %ebx = %eip; %ebx += ($GOT - %eip) 至此%ebx等于GOT表首地址。 上述过程是编译、连接相合作的结果。编译器生成目标文件时，因为此时还不存在GOT表 （每个运行模块有一个GOT表，一个PLT表，由连接器生成），所以暂时不能计算GOT表与 当前IP间的差值，仅在第三句处设上一个R_386_GOTPC重定位标记而已。然后进行连接。 连接器注意到GOTPC重定位项，于是计算GOT与此处IP的差值，作为addl指令的立即寻址 方式操作数。以后再也不需要重定位了。 b) 引用变量、函数地址 当引用的是静态变量、静态函数或字符串常量时，使用R_386_GOTOFF重定位方式。它与 GOTPC重定位方式很相似，同样首先由编译器在目标文件中设上重定位标记，然后连接器 计算GOT表与被引用元素首地址的差值，作为leal指令的变址寻址方式操作数。代码片断 如下： leal .LC1@GOTOFF(%ebx), %eax .o: R_386_GOTOFF .so: NULL 当引用的是全局变量、全局函数时，编译器会在目标文件中设上一个R_386_GOT32重定位 标记。连接器会在GOT表中保留一项，注上R_386_GLOB_DAT重定位标记，用于加载器填写 被引用元素的实际地址。连接器还要计算该保留项在GOT表中的偏移，作为movl指令的变 址寻址方式操作数。代码片断如下： movl x@GOT(%ebx), %eax .o: R_386_GOT32 .so: R_386_GLOB_DAT 需要指出，引用全局函数时，由GOT表读出不是全局函数的实际入口地址，而是该函数在 PLT表中的入口.PLTfun（参见3.3节）。这样，无论直接调用，还是先取得函数地址再间 接调用，程序流程都会转入PLT表，进而把控制权转移给加载器。加载器就是利用这个机 会进行动态连接的。 c) 直接调用函数 如前所述，浮动代码中的函数调用语句会编译成相对跳转指令。首先编译器会在目标文 件中设上一个R_386_PLT32重定位标记，然后视静态函数、全局函数不同而连接过程也有 所不同。 如果是静态函数，调用一定来自同一运行模块，调用点相对于函数入口点的偏移量在连 接时就可计算出来，作为call指令的相对当前IP偏移跳转操作数，由此直接进入函数入 口，不用加载器操心。相关代码片断如下： call f@PLT .o: R_386_PLT32 .so: NULL 如果是全局函数，连接器将生成到.PLTfun的相对跳转指令，之后就如3.3节所述，对全 局函数的第一次调用会把程序流程转到加载器中去，然后计算函数的入口地址，填充fu n@GOT表项。这称为R_386_JMP_SLOT重定位方式。相关代码片断如下： call f@PLT .o: R_386_PLT32 .so: R_386_JMP_SLOT 如此一来，一个全局函数可能有多至两个重定位项。一个是必需的JMP_SLOT重定位项， 加载器把它指向真正的函数入口；另一个是GLOB_DAT重定位项，加载器把它指向PLT表中 的代码片断。取函数地址时，取得的总是GLOB_DAT重定位项的值，也就是指向.PLTfun， 而不是真正的函数入口。 进一步考虑这样一个问题：两个动态连接库，取同一个全局函数的地址，两个结果进行 比较。由前面的讨论可知，两个结果都没有指向函数的真正入口，而是分别指向两个不 同的PLT表。简单进行比较，会得出"不相等"的结论，显然不正确，所以要特殊处理。 3.5 数据段重定位 在数据段中的重定位是指对指针类型的静态变量、全局变量进行初始化。它与代码段中 的重定位比较起来至少有以下明显不同：一、在用户程序获得控制权（main函数开始执 行）之前就要全部完成；二、不经过GOT表间接寻址，这是因为此时%ebx中还没有正确的 GOT表首地址；三、直接修改数据段，而代码段重定位时不能修改代码段。 如果引用的是静态变量、函数、串常量，编译器会在目标文件中设上R_386_32重定位标 记，并计算被引用变量、函数相对于所在段首地址的偏移量。连接器把它改成R_386_RE LATIVE重定位标记，计算它相对于动态连接库首地址（通常为零）的偏移量。加载器会 把运行模块真正的首地址（不为零）与该偏移量相加，结果用来初始化指针变量。代码 片断如下： .section .rodata .LC0: .string "Ok\n" .data p: .long .LC0 .o: R_386_32 w/ section .so: R_386_RELATIVE 如果引用的是全局变量、函数，编译器同样设上R_386_32重定位标记，并且记录引用的 符号名字。连接器不必动作。最后加载器查找被引用符号，结果用来初始化指针变量。 对于全局函数，查找的结果仍然是函数在PLT表中的代码片断，而不是实际入口。这与前 面引用全局函数的讨论相同。代码片断如下： .data p: .long printf .o: R_386_32 w/ symbol .so: R_386_32 w/ symbol 3.6 总结 下表给出了前面讨论得到的全部结果： .o .so ------------------------------------------------------------ 装载GOT表首地址 R_386_GOTPC NULL 代码段----------------------------------------------------- 重定位引用变量函数地址 静态 R_386_GOTOFF NULL 全局 R_386_GOT32 R_386_GLOB_DAT ----------------------------------------------------- 直接调用函数 静态 R_386_PLT32 NULL 全局 R_386_PLT32 R_386_JMP_SLOT ----------------------------------------------------------- 数据段引用变量函数地址 静态 R_386_32 w/sec R_386_RELATIVE 重定位 全局 R_386_32 w/sym R_386_32 w/sym ------------------------------------------------------------ 4 结束语 Windows使用PE文件格式，Linux使用ELF文件格式，这是两种动态连接库不同的根源。本 文从ELF规范出发，深入讨论了Linux动态连接库的具体实现，目的在于进一步推广Linu x的研究与应用。 5 附录：Linux汇编程序语法 x86体系结构上的Linux汇编器兼容于AT&T System V/386汇编器的语法，与常见的Intel 语法颇有不同，如下表： AT&T Intel 常数 前缀$：pushl $4 push 4 寄存器 前缀%：%ebx ebx 跳转指令（绝对地址） 前缀*：jmp *fun 跳转指令（相对偏移） 无标记：jmp fun 目的、源操作数的顺序 源在前：movl $4,%eax 目的在前：mov eax,4 操作数尺寸 后缀b、w、l：movl 修饰符byte ptr等等 变址寻址 [base+disp] disp(base) 参考文献 [1] Executable and Linking Format Spec v1.2, TIS Committee, 1995 http://x86.ddj.com/FTP/manuals/tools/elf.pdf [2] GNU Project (gcc, libc, binutils), Free Software Foundation, Inc., 1999 http://www.gnu.org/software/ [3] Solaris 2.5 Linker and Libraries Guide, Sun Microsystems Inc., 1999 http://docs.sun.com/ ftp://192.18.99.138/802-1955/802-1955.pdf [4] SVR4 ABI x86 Supplement, The Santa Cruz Operation, Inc., 1999 http://www.sco.com/developer/devspecs/abx86-4.pdf [5] ELF: From The Programmer's Perspective, H J Lu, 1995 http://metalab.unc.edu/pub/Linux/GCC/elf.ps.gz [6] Using ld: The GNU linker, S Chamberlain, Cygnus Support, 1994 http://www.gnu.org/manual/ld-2.9.1/ps/ld.ps.gz
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