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C++培训之Linux系统动态库加载过程分析

更新时间:2015年12月28日16时40分 来源:传智播客C/C++学科

在Linux系统开发中,我们频繁的使用动态库(又称共享库),它相较于静态库而言有节省空间、便于更新等优点。但同时,动态库也有其缺点,加载速度相较于静态库而言较慢。那么,为什么调用动态库内的函数要比调用静态库内函数速度慢呢?它的加载过程具体又是怎样的呢?我们可借助gdb调试工具和反汇编工具objdump来找寻原因。
 
首先准备简单的动态库测试函数:
  
准备测试程序:
借助gcc工具生成动态库,链接动态库,编译生成可执行文件,并帮助动态链接器指定动态库加载位置。
  1. gcc -c -fPIC add.c sub.c mul.c
  2. gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o mul.o
  3. gcc main.c -o app -L ./ -l mymath -I ./
  4. export LD_LIBRARY_PATH=./
 
接下来,我们来研究下,在 main.c 中调用共享库的函数 add是如何实现的。首先反汇编看一下动态库libmymath.so,方便后期数据比对。(由于数据较多,这里只保留了与后期分析相关联的部分,同时为了方便观察地址,我们以32位系统为例。)
 
$ objdump libmymath.so -dS
...
00000538 <add>:
 538:    55                        push   %ebp
 539:    89 e5                     mov    %esp,%ebp
 53b:    8b 45 0c                  mov    0xc(%ebp),%eax
 53e:    8b 55 08                  mov    0x8(%ebp),%edx
 541:    01 d0                     add    %edx,%eax
 543:    5d                        pop    %ebp
 544:    c3                        ret    
 
Disassembly of section .fini:
...
 
然后我们反汇编一下可执行文件app的指令:
 
$ objdump -dS app
...
Disassembly of section .plt:
 
08048460 <add@plt-0x10>:
 8048460:        ff 35 04 a0 04 08         pushl  0x804a004
 8048466:        ff 25 08 a0 04 08         jmp    *0x804a008
 804846c:        00 00                     add    %al,(%eax)
         ...
 
08048470 <add@plt>:
 8048470:        ff 25 0c a0 04 08         jmp    *0x804a00c
 8048476:        68 00 00 00 00            push   $0x0
 804847b:        e9 e0 ff ff ff            jmp    8048460 <_init+0x2c>
...
080485cd <main>:
 
int main(void)
{
 80485cd:        55                        push   %ebp
 80485ce:        89 e5                     mov    %esp,%ebp
 80485d0:        83 e4 f0                  and    $0xfffffff0,%esp
 80485d3:        83 ec 20                  sub    $0x20,%esp
    int a = 5;
 80485d6:        c7 44 24 18 05 00 00      movl   $0x5,0x18(%esp)
 80485dd:        00 
    int b = 9;
 80485de:        c7 44 24 1c 09 00 00      movl   $0x9,0x1c(%esp)
 80485e5:        00 
 
    printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
 80485e6:        8b 44 24 1c               mov    0x1c(%esp),%eax
 80485ea:        89 44 24 04               mov    %eax,0x4(%esp)
 80485ee:        8b 44 24 18               mov    0x18(%esp),%eax
 80485f2:        89 04 24                  mov    %eax,(%esp)
 80485f5:        e8 76 fe ff ff            call   8048470 <add@plt>
...
 
从上述反汇编结果来看add 函数并没有直接链接到可执行文件中。而且 call  8048470 <add@plt>这条指令调用的也不是 add 函数的地址。共享库是位置无关代码,在运行时可以加载到任意地址,其加载地址只有在动态链接时才能确定,所以在 main 函数中不可能直接通过绝对地址调用add函数,而是通过间接寻址来找 add 函数的。
对照上面的指令,我们使用 gdb 跟踪一下:
 
$ gdb app
...
(gdb) start
Temporary breakpoint 1 at 0x80485d6: file main.c, line 6.
Starting program: /home/itcast/lib/app 
 
Temporary breakpoint 1, main () at main.c:6
6            int a = 5;
(gdb) si
7            int b = 9;
(gdb) si
9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
(gdb) si
0x080485ea       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
(gdb) si
0x080485ee       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
(gdb) si
0x080485f2       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
(gdb) si
0x080485f5       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
(gdb) si
0x08048470 in add@plt ()
 
跳转到 .plt 段中,现在将要执行一条 jmp  *0x804a00c指令,我们看看0x804a00c这个地址里存的是什么:
 
(gdb) x 0x804a00c
0x804a00c <add@got.plt>:  0x08048476
 
对应app反汇编结果,我们发现原来0x08048476就是其下一条指令push  $0x0的地址。好,继续跟踪下去:
 
(gdb) si
0x08048470 in add@plt ()
(gdb) si
0x08048476 in add@plt ()
(gdb) si
0x0804847b in add@plt () 
(gdb) si
0x08048460 in ?? ()
(gdb) si
0x08048466 in ?? ()
(gdb) si
0xf7ff04f0 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2
 
最终进入了动态链接器 /lib/ld-linux.so.2 ,在其中完成动态链接的过程并调用 add 函数,我们不深入这些细节了,直接用 finish 命令返回到 main 函数:
 
(gdb) si
0xf7ff04f2 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2
(gdb) finish
Run till exit from #0  0xf7ff04f2 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2
0x080485fa in main () at main.c:9
9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));
 
这时,再来看看0x804a00c这个地址里保存的是什么:
 
(gdb) x 0x804a00c
0x804a00c <add@got.plt>:  0xf7fd4538
(gdb) x 0xf7fd4538
0xf7fd4538 <add>: 0x8be58955
 
我们发现0x804a00c中不再保存其下一条指令push  $0x0的地址,而存入了一个新的地址,继续跟踪这个地址找到了add函数真正被加载到内存的位置。其中的0x8be58955正对应文档开头反汇编动态库所得到的add函数前三条指令。由于我们所使用的计算机采用小端法存储,所以低位保存在低字节上。
动态链接器已经把 add 函数的地址存在这里了,所以下次再调用 add 函数就可以直接从 jmp  *0x804a00c 指令直接跳到它首条指令的地址,而不必再进入 /lib/ld-linux.so.2 做动态链接了。
我们首次查看0x804a00c的时候,其内部并没有保存add函数实际的地址。而当函数被调用,动态链接器加载完成,会将add真正加载至内存的地址填写到与plt对应的got中。有一种描述这种绑定动态库函数的方式,称之为“延迟绑定”。正是由于首次调用的这一延迟,导致调用动态库函数不像调用静态库函数那样快捷。

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作者:传智播客C/C++培训学院
首发:http://www.itcast.cn/c/