深入计算机组成原理动态链接：程序内部的”共享单车“

Posted 2021-12-18 bobuddy

我们之前讲过，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“。同样的功能代码只用写一次，然后提供给很多不同的程序进行链接就行了。

这么说来，”链接“其实有点像我们日常生活中的标准化、模块化生产。我们有一个可以生产标准螺帽的生产线，就可以生产很多不同的螺帽。只要需要螺帽，我们就可以通过链接的方式，去复制一个出来，放到需要的地方去，大到汽车，小到信箱。

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，那里面链接号的同样的功能代码，也都需要再装载一遍，再占一遍内存空间。这就好比，假设每个人都有骑单车的需要，那我们给每个人都生产一辆单车放在身边，固然大家都有单车用了，但是马路上肯定会特别拥堵。

链接可以分动、静、共享运行省内存

我们上一届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配辆单车，只要马路上有这些单车，谁需要的时候，直接手机扫码，都可以解锁。

这个思路就引入一种新的链接方法，叫做动态链接（Dynamic Link）。对应的，我们之前说的合并代码块的方法，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），顾名思义，这里的共享库重在”共享“两个字。

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 Library（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）。这两大操作系统下的文件名后缀，一个用了”动态链接“的意思，另一个用了”共享“的意思，正好覆盖了两方面的含义。

地址无关很重要，相对地址解烦恼

不过，想要在程序运行的时候共享代码，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。如果不是这样的代码，就是地址相关的代码。

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“，无论你在那里都可以骑车走这1000米，没有具体地点的限制，这就是地址无关的。

你可以想象，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）、利用重定向表的代码等等，都是地址相关的代码。你回想以下我们之前讲过的重定向表。在程序链接的时候，我们就把函数调用后要跳转访问的地址确定下来了，这意味着，如果这个函数加载到一个不同的内存地址，跳转就会失败。

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。我们没办法，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，都是地址无关的呢？

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）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。

PLT和GOT，动态链接的解决方案

要实现动态链接共享库，也并不是困难，和前面的静态链接里的符号表和重定向表类似，还是和前面一样，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

你可以看到，在编译的过程中，我们制定了一个** -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，在这些操作都完成之后，我们把show_me_poor这个文件通过objdump出来看一下。

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]
……

我们还是只关心整个可执行文件中的一小部分内容。你应该可以看到，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：

call   400550 <show_me_the_money@plt>

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400550这个地址。

那当我们把目标挪在上面的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。

  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。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号自己的GOT，能够找到对应的动态库就好了。

我们的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的时候，生成的各不相同的GOT表，来找到它需要调用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。

总结延伸

这一讲，我们终于在静态链接和程序装载之后，利用动态链接吧我们的内存利用到了极致。同样功能的代码生成的共享库，我们只需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的硬盘空间一下子就用出去了。如果我们服务器的多进程要开上千个进程，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，但是如果粗暴的吧它变成无节制的复制生产，给每个人都造一辆，只会在系统内制造大量无用的垃圾。

过去的05~09这五讲里，我们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见我干了。需要你有所收获，对于一个程序是怎么跑起来的，有一个初步的认识。

思考

像动态链接这样通过修改”地址数据“来进行间接跳转，去调用一开始不能确定位置代码的思路，你在应用开发中使用过吗？