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程序链接

静态链接

动态链接

动态链接主要是在程序初始化时或者程序执行的过程中解析变量或者函数的引用。ELF文件中某些节区以及头部元素就与动态链接有关。动态链接的模型由操作系统定义并实现。

Dynamic Linker

动态链接器可以用来帮助加载应用所需要的库并解析库所导出的动态符号(函数和全局变量)。

当使用动态链接来构造程序时,链接编辑器会在可执行文件的程序头部添加一个 PT_INTERP 类型的元素,以便于告诉系统将动态链接器作为程序解释器来调用。

需要注意的是,对于系统提供的动态链接器,不同的系统会不同。

可执行程序和动态链接器会合作起来为程序创建进程镜像,具体的细节如下:

  1. 将可执行文件的内存段添加到进程镜像中。
  2. 将共享目标文件的内存段添加到进程镜像中。
  3. 为可执行文件以及共享目标文件进行重定位。
  4. 如果传递给了动态链接器一个文件描述符的话,就将其关闭。
  5. 将控制权传递给程序。这让我们感觉起来就好像程序直接从可执行文件处拿到了执行权限。

链接编辑器同样也创建了各种各样的数据来协助动态链接器来处理可执行文件和共享目标文件,例如

  • 类型为SHT_DYNAMIC的节.dynamic包含了各种各样的数据,在这个节的开始处包含了其它动态链接的信息。
  • 类型为SHT_HASH的节.hash包含了符号哈希表。
  • 类型为SHT_PROGBITS的节.got以及.plt包含了两个独立的表:全局偏移表,过程链接表。程序会利用过程链接表来处理地址独立代码。

因为所有的UNIX System V都会从一个共享目标文件中导入基本的系统服务,动态链接器会参与到每一个TIS ELF-conforming的程序执行过程中。

正如程序加载中所说的,共享目标文件中可能会占用与程序头部中记录的不一样的虚拟地址。动态链接器会在程序拿到控制权前,重定位内存镜像,更新绝对地址。如果共享目标文件确实加载到了其在程序头部中指定的地址的话,那么那些绝对地址的值就会是正确的。但通常情况下,这种情况不会发生。

如果进程的环境中有名叫 LD_BIND_NOW 的非空值,那么动态连接器在把权限传递给程序时,会执行所有的重定位。例如,所有的如下环境变量的取值都会指定这一行为。

  • LD_BIND_NOW = 1
  • LD_BIND_NOW = on
  • LD_BIND_NOW = off

否则,LD_BIND_NOW 要么不存在于当前的进程环境中,要么具有一个非空值。动态链接器可以延迟解析过程链接表的入口,这其实就是plt表的延迟绑定,即当程序需要使用某个符号时,再进行地址解析,这可以减少符号解析以及重定位的负载。

Function Address

可执行文件中的函数的地址引用和共享目标中与其相关的引用可能并不会被解析为一个值。共享目标文件中对应的引用将会被动态链接器解析到函数本身对应的虚拟地址处。可执行文件中对应的引用(来自于共享目标文件)将会被链接编辑器解析为过程链接表中对应函数的项中的地址。

为了允许不同的函数地址可以按照期望进行工作,如果一个可执行文件引用了一个定义在共享目标文件中的函数,那么链接编辑器就会把相应函数的过程链接表项放到与它关联的符号表表项中。动态链接器会对这种符号表项进行特殊的处理。如果动态链接器在寻找一个符号,并且遇到了一个符号表项在可执行文件中的符号,那么它会遵循如下的规则:

  1. 如果符号表项的st_shndx 不是SHN_UNDEF ,动态链接器就会找到这个符号的定义,并且使用它的st_value来作为符号的地址。
  2. 如果st_shndxSHN_UNDEF 并且符号的类型是STT_FUNC ,而且st_value 成员不是0,动态链接器就会把这个表项视为特殊的,并且使用st_value 的值作为符号的地址。
  3. 否则,动态链接器就会认为在可执行文件中的符号是未定义的,然后继续处理。

一些重定位与过程链接表的表项相关。这些表项被用于直接函数调用,而不是引用函数地址。这些重定位并不会按照上面的方式进行处理,因为动态链接器必须不能重定向过程链接表项并使其指向它们本身。

Shared Object Dependencies

当链接编辑器在处理一个归档库的时候,它会提取出库成员并且把它们拷贝到输出目标文件中。这种静态链接的操作在执行过程中是不需要动态连接器参与的。共享目标文件同时也提供了服务,动态链接器必须将合适的共享目标文件attach到进程镜像中,以便于执行。因此,可执行文件以及共享目标文件会专门描述他们的依赖关系。

当一个动态链接器为一个目标文件创建内存段时,在DT_NEEDED项中描述的依赖给出了需要什么依赖文件来支持程序的服务。通过不断地连接被引用的共享目标文件(即使一个共享目标文件被引用多次,它最后也只会被动态链接器连接一次)及它们的依赖,动态链接器建立了一个完全的进程镜像。当解析符号引用时,动态链接器会使用BFS(广度优先搜索)来检查符号表。也就是说,首先,它会检查可执行文件本身的符号表,然后才会按照顺序检查DT_NEEDED入口中的符号表,然后才会继续查看下一次依赖,依次类推。共享目标文件必须可以被程序读取,其它权限不一定需要。

依赖列表中的名字要么是DT_SONAME中的字符串,要么是用于构建对应目标文件的共享目标文件的路径名。例如,如果一个链接器使用了一个带有DT_SONAME项名字叫做lib1的共享目标文件以及一个其他路径名为/usr/lib/lib2的共享目标文件,那么可执行文件中将会包含lib1以及/usr/lib/lib2依赖列表。

如果一个共享目标文件具有一个或者多个/,例如/usr/lib/lib2或者directory/file,那么动态链接器会直接使用那个字符串来作为路径的名字。如果名字中没有/,比如lib1,那么以下的三种机制给出了共享目标文件搜索的顺序。

  • 首先,动态数组标记DT_RPATH可能会给出一个包含一系列以:分割的目录的字符串。例如 /home/dir/lib:/home/dir2/lib: 告诉我们先在/home/dir/lib目录搜索,然后再在/home/dir2/lib搜索,最后在当前目录搜索。

  • 其次,进程环境变量中的名叫LD_LIBRARY_PATH的变量包含了一系列上述所说格式的目录,最后可能会有一个;,后面跟着另外一个目录列表后面跟着另外一个目录列表。这里给出一个例子,效果与第一个所说的效果相同

  • LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib:/home/dir2/lib:

  • LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib;/home/dir2/lib:
  • LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib:/home/dir2/lib:;

所有的LD_LIBRARY_PATH中的目录只会在搜索完DT_RPATH才会进行搜索。尽管有一些程序(如链接编辑器)在处理;前后的列表的方式不同,但是动态链接器处理的方式完全一样,除此之外,动态链接器接受分号表示语法,正如上面所描述的样子。

  • 最后,如果以上两组目录无法定位期望的库,则动态链接器搜索/usr/lib 路径下的库。

注意

为了安全性,对于set-user 以及 set-group 标识的程序,动态链接器忽略搜索环境变量(例如LD_LIBRARY_PATH),仅仅搜索DT_RPATH指定的目录和/usr/lib


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