动态链接库如何函数寻址

2年前 (2022) 程序员胖胖胖虎阿

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原文地址：动态链接库如何函数寻址

最近我们发现 go 编译为 so 之后，内存占用涨了好多，初步分析下来，是动态符号导致的，感觉不太符合常识
趁着娃还在外面放假，正好学习学习~

hello world

int main() {
    printf("hello world\n")
}

在最简单的 hello world 中，printf 最终也是来自 libc.so 这个动态链接库
通过 objdump，我们可以找到这一行：

400638:  call   400520 <printf@plt>

这里的 printf@plt，表示 printf 这个函数是依赖的外部函数，是要动态寻址的。

为什么需要函数寻址

不同于静态链接，函数地址在链接期（执行前），就可以确定下来了。
然而，动态链接库的地址，是在程序执行的时候，加载 so 文件时才能确定的。那么，要调用动态库中的函数，是没有办法提前知道的地址的，所以需要一套机制来寻找函数的地址。

具体而言，分为两种寻址：

so 中导出的函数地址
so 内部调用非导出的函数地址

简而言之

第一种，是通过函数名来寻址的，相当于在主程序里调用了 dlsym(x, "printf") 来寻址，然后 dlsym 会在 so 文件里找 printf 的地址
第二种，是通过偏移量来寻址的，虽然绝对地址不固定，但是 so 文件内部，两个函数之间的偏移量是固定的。

缓存加速

通过字符串来查找，想想也知道是比较低效的，那有什么办法提速呢？原理也简单，就是加缓存。
具体而言呢，是通过可执行文件中的两个段的配合，其中 .plt 可执行，.got.plt 可写，来实现缓存的效果。

还是从这一行 call 指令开始

400638:  call   400520 <printf@plt>

400520 来自 .plt 段，而且 .plt 是可执行的
继续用 objdump 可以看指令：

  400520:   jmp    QWORD PTR [rip+0x200afa]  # 601020 <printf@GLIBC_2.2.5>
  400526:   push   0x0
  40052b:   jmp    400500 <.plt>

这里有两个 jmp：
第一个 jmp 的地址来自 601020，而这个 601020 来自 .got.plt 段，.got.plt 是可写的
首次执行的时候，601020 里存的就是 400526，此时意味着慢路径，需要动态查找。
当查到地址之后，会修改 601020 中的值，这样后续就可以直接一个 jmp 就完成寻址了，不需要再按照字符串查找了。

查找逻辑

至于慢路径查找，最终会调用到 _dl_lookup_symbol_x，大体而言是这么个逻辑：

先在当前可执行文件中，通过 0x0 这个偏移量，找到函数名，也就是 printf
然后再从 so 文件中，根据 printf 来查找函数地址

核心会用到两个段的数据（上面的 1 和 2 两步都会用到这两个段，只是对应来自两个不同的文件）

.dynsym 用来存符号，也就是 Elf_Sym 这个结构，这个结构体里存了函数偏移地址，名称偏移地址等
.dynstr 用来存字符，比如 printf 这个字符串本身就存在这里

使用 nm -D 可以看到类似这样的数据，其中 U 表示 undefined，需要外部寻址的函数

00000000004004e8 T _init
                 U printf

内部调用

这个就简单很多了，偏移量是固定的，不用动态查找，直接调用 call 指令就行了。x86 上的 call 执行也有好几个，其中有一个就是按照偏移量来的。
这里有一个有意思的小细节，比如这个例子：

000000000040061e <main>:
  40061e:       48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  400622:       bf 01 00 00 00          mov    edi,0x1
  400627:       e8 e6 ff ff ff          call   400612 <add>
  40062c:       89 c6                   mov    esi,eax

call指令的跳转地址是 0x400612，这个是怎么来的呢？
e8 表示按照相对地址寻址，然后就有了这么结果：0x40062c + 0xffffffe6 = 0x400612

平常用 objdump 和 gdb 看到 call 指令的地址，也都是计算后的，不注意的话，会以为都是绝对地址。