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C/c++培訓之Linux系統動態庫加載過程分析

更新時間:2017-07-02 來源:黑馬程序員c/c++培訓學院 瀏覽量:

在Linux系統開發中，我們頻繁的使用動態庫（又稱共享庫），它相較于靜態庫而言有節省空間、便于更新等優點。但同時，動態庫也有其缺點，加載速度相較于靜態庫而言較慢。那么，為什么調用動態庫內的函數要比調用靜態庫內函數速度慢呢？它的加載過程具體又是怎樣的呢？我們可借助gdb調試工具和反匯編工具objdump來找尋原因。
 
首先準備簡單的動態庫測試函數：
  
準備測試程序：
借助gcc工具生成動態庫，鏈接動態庫，編譯生成可執行文件，并幫助動態鏈接器指定動態庫加載位置。
  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=./
 
接下來，我們來研究下，在 main.c 中調用共享庫的函數 add是如何實現的。首先反匯編看一下動態庫libmymath.so，方便后期數據比對。(由于數據較多，這里只保留了與后期分析相關聯的部分，同時為了方便觀察地址，我們以32位系統為例。)
 
$ 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:
...
 
然后我們反匯編一下可執行文件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>
...
 
從上述反匯編結果來看add 函數并沒有直接鏈接到可執行文件中。而且 call  8048470 <add@plt>這條指令調用的也不是 add 函數的地址。共享庫是位置無關代碼，在運行時可以加載到任意地址，其加載地址只有在動態鏈接時才能確定，所以在 main 函數中不可能直接通過絕對地址調用add函數，而是通過間接尋址來找 add 函數的。
對照上面的指令，我們使用 gdb 跟蹤一下：
 
$ 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 ()
 
跳轉到 .plt 段中，現在將要執行一條 jmp  *0x804a00c指令，我們看看0x804a00c這個地址里存的是什么：
 
(gdb) x 0x804a00c
0x804a00c <add@got.plt>:  0x08048476
 
對應app反匯編結果，我們發現原來0x08048476就是其下一條指令push  $0x0的地址。好，繼續跟蹤下去：
 
(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
 
最終進入了動態鏈接器 /lib/ld-linux.so.2 ，在其中完成動態鏈接的過程并調用 add 函數，我們不深入這些細節了，直接用 finish 命令返回到 main 函數：
 
(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));
 
這時，再來看看0x804a00c這個地址里保存的是什么：
 
(gdb) x 0x804a00c
0x804a00c <add@got.plt>:  0xf7fd4538
(gdb) x 0xf7fd4538
0xf7fd4538 <add>: 0x8be58955
 
我們發現0x804a00c中不再保存其下一條指令push  $0x0的地址，而存入了一個新的地址，繼續跟蹤這個地址找到了add函數真正被加載到內存的位置。其中的0x8be58955正對應文檔開頭反匯編動態庫所得到的add函數前三條指令。由于我們所使用的計算機采用小端法存儲，所以低位保存在低字節上。
動態鏈接器已經把 add 函數的地址存在這里了，所以下次再調用 add 函數就可以直接從 jmp  *0x804a00c 指令直接跳到它首條指令的地址，而不必再進入 /lib/ld-linux.so.2 做動態鏈接了。
我們首次查看0x804a00c的時候，其內部并沒有保存add函數實際的地址。而當函數被調用，動態鏈接器加載完成，會將add真正加載至內存的地址填寫到與plt對應的got中。有一種描述這種綁定動態庫函數的方式，稱之為“延遲綁定”。正是由于首次調用的這一延遲，導致調用動態庫函數不像調用靜態庫函數那樣快捷。

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作者：黑馬程序員C/C++培訓學院
首發：http://c.itheima.com
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