Linux下的动态连接库及其实现机制

Linux与Windows的动态连接库概念相似，但是实现机制不同。它引入了GOT表和PLT表的概念，综合使用了多种重定位项，实现了"浮动代码"，达到了更好的共享性能。本文对这些技术逐一进行了详细讨论。

本文着重讨论x86体系结构，这是因为

(1)运行Linux的各种体系结构中，以x86最为普及；

(2)该体系结构上的Windows操作系统广为人知，由此可以较容易的理解Linux的类似概念；

下表列出了Windows与Linux的近义词，文中将不加以区分：

Windows Linux

动态连接库(DLL) Shared Object
目标文件(.obj) 文件名结尾常是 .o
可执行文件(.exe) Executable（文件名无特定标志）
连接器(link.exe) Linker Editor (ld)
加载器(exec/loader) Dynamic Linker (ld-linux.so)
段(segment) 节(section)

一些关键字在本文中有特定含义，需要澄清：

编译单元：一个C语言源文件，经过编译后将生成一个目标文件
运行模块：一个动态连接库或者一个可执行文件。简称为模块
自动变量、函数：C语言auto关键字修饰的对象
静态变量、函数：C语言static关键字修饰的对象
全局变量、函数：C语言extern关键字修饰的对象

1 动态连接库的优点

程序编制一般需经编辑、编译、连接、加载和运行几个步骤。由于一些公用代码需要反复使用，就把它们预先编译成目标文件并保存在"库"中。当它与用户程序的目标文件连接时，连接器得从库中选取用户程序需要的代码，然后复制到生成的可执行文件中。这种库称为静态库，其特点是可执行文件中包含了库代码的一份完整拷贝。显然，当静态库被多个程序使用时，磁盘上、内存中都是多份冗余拷贝。

而使用动态连接库就克服了这个缺陷。当它与用户程序的目标文件连接时，连接器只是软件开发网 www.mscto.com
作上标记，说明程序需要该动态连接库，而不真的把库代码复制到可执行文件中；仅当可执行文件运行时，加载器根据这个标记，检查该库是否已经被其它可执行文件加载进内存。如果已存在于内存中，不用再从磁盘上加载，只要共享内存中已有的代码即可。这样磁盘、内存中始终只有一份代码，较静态库为优。

2 Linux动态连接库的重要特点：浮动代码

在Windows中，连接生成动态连接库时要指定一个首地址。应用程序运行时，加载器将尽可能把动态连接库装入到该地址；如果地址已被占用，该动态连接库只能被加载到其它地址空间内，这时就要对库中的代码和数据进行修补，或叫做重定位。如此一来，库的多个实例在内存中经过重定位后，彼此将不尽相同，自然不再能共享了。为了避免这个缺陷，Windows自带的库都指定了互不重叠的地址，尽管如此，其它软件厂商的产品仍然不可避免的使用重叠地址，由此部分丧失了使用动态连接库的好处。

在Linux中，为了达到更好的共享性能，使用了与Windows不一样的策略：浮动代码（Position Independent Code，简称PIC）。具体说，使用的转移指令都是相对于当前程序计数器（IP）的偏移量；代码中引用变量、函数的地址都是相对于某个基地址的偏移量。总之，从不引用一个绝对地址。这样，动态连接库无论被加载到什么地址空间，不用修补代码就可以正常工作。既然只有一份代码，就容易实现共享了。

值得指出，此处所指的共享，是指为了节省存储器，多个进程使用动态连接库代码段、只读数据段在内存中的唯一映像；另一种常用的共享定义，是指多个进程对同一段（可能是动态分配的）存储区进行读写，实现进程间通信（IPC）。后一种共享定义与本文无可执行文件运行时，加载器根据这个标记，检查该库是否已经被其它可执行文件加载进内存。如果已存在于内存中，不用再从磁盘上加载，只要共享内存中已有的代码即可。这样磁盘、内存中始终只有一份代码，较静态库为优。

2 Linux动态连接库的重要特点：浮动代码

在Windows中，连接生成动态连接库时要指定一个首地址。应用程序运行时，加载器将尽可能把动态连接库装入到该地址；如果地址已被占用，该动态连接库只能被加载到其它地址空间内，这时就要对库中的代码和数据进行修补，或叫做重定位。如此一来，库的多个实例在内存中经过重定位后，彼此将不尽相同，自然不再能共享了。为了避免这个缺陷，Windows自带的库都指定了互不重叠的地址，尽管如此，其它软件厂商的产品仍然不可避免的使用重叠地址，由此部分丧失了使用动态连接库的好处。

在Linux中，为了达到更好的共享性能，使用了与Windows不一样的策略：浮动代码（Position Independent Code，简称PIC）。具体说，使用的转移指令都是相对于当前程序计数器（IP）的偏移量；代码中引用变量、函数的地址都是相对于某个基地址的偏移量。总之，从不引用一个绝对地址。这样，动态连接库无论被加载到什么地址空间，不用修补代码就可以正常工作。既然只有一份代码，就容易实现共享了。

值得指出，此处所指的共享，是指为了节省存储器，多个进程使用动态连接库代码段、只读数据段在内存中的唯一映像；另一种常用的共享定义，是指多个进程对同一段（可能是动态分配的）存储区进行读写，实现进程间通信（IPC）。后一种共享定义与本文无关。

3 Linux动态连接库的实现机制：重定位

3.1 重定位概述

浮动代码通过重定位操作得以实现。而重定位可以按多种标准进行分类：

-- 按发生的地点，可分成对代码段（.text）重定位和对数据段（.data）重定位。

-- 按发生的时间，可分成连接时重定位和加载时重定位（加载时重定位也称为动态重定位）。但这两步并不总是必不可少的。例如，要实现浮动代码就不能对代码段进行动态重定位，这时采取的办法是，把需要动态重定位的项搬到数据段中去，然后在代码段中引用这些项。

-- 按重定位项引用的对象，可分成数据引用和函数引用。如果引用的是静态数据或静态函数，连接器会优化生成的代码，去掉动态重定位项。

-- 从字面上讲， x86体系结构上的Linux使用了多种重定位方式，名字前缀以"R_386_"，后面分别接：32、GOT32、PLT32、COPY、GLOB_DAT、JMP_SLOT、RELATIVE、GOTOFF、GOTPC。每种方式都有特定的含义。
以上几种分类中最重要的是按地点分类。而下文也将以它为主线，逐一介绍各种重定位项。首先，引入两个关键概念：GOT表和PLT表。

3.2 GOT表

GOT（Global Offset Table）表中每一项都是本运行模块要引用的一个全局变量或函数的地址。可以用GOT表来间接引用全局变量、函数，也可以把GOT表的首地址作为一个基准，用相对于该基准的偏移量来引用静态变量、静态函数。由于加载器不会把运行模块加载到固定地址，在不同进程的地址空间中，各运行模块的绝对地址、相对位置都不同。这种不同反映到GOT表上，就是每个进程的每个运行模块都有独立的GOT表，所以进程间不能共享GOT表。

在x86体系结构上，本运行模块的GOT表首地址始终保存在離寄存器中。编译器在每个函数入口处都生成一小段代码，用来初始化離寄存器。这一步是必要的，否则，如果对该函数的调用来自另一运行模块，離中就是调用者模块的GOT表地址；不重新初始化離就用来引用全局变量和函数，当然出错。

3.3 PLT表

PLT（Procedure Linkage Table）表每一项都是一小段代码，对应于本运行模块要引用的一个全局函数。以对函数fun的调用为例，PLT中代码片断如下：

.PLTfun: jmp *fun@GOT(離)
pushl $offset
jmp .PLT0@PC

其中引用的GOT表项被加载器初始化为下一条指令（pushl)的地址，那么该jmp指令相当于nop空指令。

用户程序中对fun的直接调用经编译连接后生成一条call fun@PLT指令，这是一条相对跳转指令（满足浮动代码的要求！），跳到.PLTfun。如果这是本运行模块中第一次调用该函数，此处的jmp等于一个空指令，继续往下执行，接着就跳到.PLT0。该PLT项保留给编译器生成的额外代码，会把程序流程引入到加载器中去。加载器计算fun的实际入口地址，填入fun@GOT表项。图示如下：

user program
--------------
call fun@PLT
|
v
DLL PLT table loader
-------------- -------------- -----------------------

fun: <-- jmp*fun@GOT --> change GOT entry from
| $loader to $fun,
v then jump to there
GOT table
--------------
fun@GOT:$loader

第一次调用以后，GOT表项已指向函数的正确入口。以后再有对该函数的调用，跳到PLT 表后，不再进入加载器，直接跳进函数正确入口了。从性能上分析，只有第一次调用才要加载器作一些额外处理，这是完全可以容忍的。还可以看出，加载时不用对相对跳转的代码进行修补，所以整个代码段都能在进程间共享。

熟悉Windows的程序员很容易注意到，GOT表、PLT表与Windows中的引入表（Import）有类似之处。其它对应关系还有： Linux的version script与Windows的.DEF文件；Linux 的dynamic symbols section与Windows的输出表（Export）。不再举更多例子了。

3.4 代码段重定位

需要说明，由浮动代码的要求，代码段内不应该存在重定位项。此处只是借用了"在代码段中"这个短语，实际的重定位项还是位于数据段的GOT表内。尽管如此，它与3.5节"数据段中的重定位"的区别是很明显的。

a) 装载GOT表首地址

使用GOT表当然事先要知道它的首地址，然而该首地址会随运行模块被加载的首地址不同而不同。Linux使用了一个技巧在运行时求出正确的GOT表首地址。代码片断如下，紧接其后列出的是对应的目标文件（.o）与动态连接库（.so）中的重定位项类型：

call L1
L1: popl 離
addl $GOT [.-.L1], 離
.o: R_386_GOTPC
.so: NULL

如前所述，该代码片断存在于每个函数的入口处。程序第一句把当前程序计数器（IP）值推进堆栈，第二句又把它从堆栈中弹出来，结果相当于movl %eip, 離，只不过合法的x86指令集中不允许%eip作为操作数而已。然后第三句把離加上一个GOT表与IP值的差，这个差值是个与动态连接库加载首地址无关的常数，在连接时即可求出。整个过程用类C语言描述如下：

離 = %eip;
離 = ($GOT - %eip)

至此離等于GOT表首地址。

上述过程是编译、连接相合作的结果。编译器生成目标文件时，因为此时还不存在GOT表（每个运行模块有一个GOT表，一个PLT表，由连接器生成），所以暂时不能计算GOT表与当前IP间的差值，仅在第三句处设上一个R_386_GOTPC重定位标记而已。然后进行连接。连接器注意到GOTPC重定位项，于是计算GOT与此处IP的差值，作为addl指令的立即寻址方式操作数。以后再也不需要重定位了。

b) 引用变量、函数地址

当引用的是静态变量、静态函数或字符串常量时，使用R_386_GOTOFF重定位方式。它与GOTPC重定位方式很相似，同样首先由编译器在目标文件中设上重定位标记，然后连接器计算GOT表与被引用元素首地址的差值，作为leal指令的变址寻址方式操作数。代码片断如下：

leal .LC1@GOTOFF(離), 陎
.o: R_386_GOTOFF
.so: NULL

当引用的是全局变量、全局函数时，编译器会在目标文件中设上一个R_386_GOT32重定位标记。连接器会在GOT表中保留一项，注上R_386_GLOB_DAT重定位标记，用于加载器填写被引用元素的实际地址。连接器还要计算该保留项在GOT表中的偏移，作为movl指令的变址寻址方式操作数。代码片断如下：

movl x@GOT(離), 陎
.o: R_386_GOT32
.so: R_386_GLOB_DAT

需要指出，引用全局函数时，由GOT表读出不是全局函数的实际入口地址，而是该函数在PLT表中的入口.PLTfun（参见3.3节）。这样，无论直接调用，还是先取得函数地址再间接调用，程序流程都会转入PLT表，进而把控制权转移给加载器。加载器就是利用这个机会进行动态连接的。

c) 直接调用函数

如前所述，浮动代码中的函数调用语句会编译成相对跳转指令。首先编译器会在目标文件中设上一个R_386_PLT32重定位标记，然后视静态函数、全局函数不同而连接过程也有所不同。

如果是静态函数，调用一定来自同一运行模块，调用点相对于函数入口点的偏移量在连接时就可计算出来，作为call指令的相对当前IP偏移跳转操作数，由此直接进入函数入口，不用加载器操心。相关代码片断如下：

call f@PLT
.o: R_386_PLT32
.so: NULL http://blog.csdn.net/chaolumon/article/details/2992158
如果是全局函数，连接器将生成到.PLTfun的相对跳转指令，之后就如3.3节所述，对全局函数的第一次调用会把程序流程转到加载器中去，然后计算函数的入口地址，填充fun@GOT表项。这称为R_386_JMP_SLOT重定位方式。相关代码片断如下：

call f@PLT
.o: R_386_PLT32
.so: R_386_JMP_SLOT

如此一来，一个全局函数可能有多至两个重定位项。一个是必需的JMP_SLOT重定位项，加载器把它指向真正的函数入口；另一个是GLOB_DAT重定位项，加载器把它指向PLT表中的代码片断。取函数地址时，取得的总是GLOB_DAT重定位项的值，也就是指向.PLTfun，而不是真正的函数入口。

进一步考虑这样一个问题：两个动态连接库，取同一个全局函数的地址，两个结果进行比较。由前面的讨论可知，两个结果都没有指向函数的真正入口，而是分别指向两个不同的PLT表。简单进行比较，会得出"不相等"的结论，显然不正确，所以要特殊处理。

3.5 数据段重定位

在数据段中的重定位是指对指针类型的静态变量、全局变量进行初始化。它与代码段中的重定位比较起来至少有以下明显不同：一、在用户程序获得控制权（main函数开始执行）之前就要全部完成；二、不经过GOT表间接寻址，这是因为此时離中还没有正确的GOT表首地址；三、直接修改数据段，而代码段重定位时不能修改代码段。

如果引用的是静态变量、函数、串常量，编译器会在目标文件中设上R_386_32重定位标记，并计算被引用变量、函数相对于所在段首地址的偏移量。连接器把它改成R_386_RELATIVE重定位标记，计算它相对于动态连接库首地址（通常为零）的偏移。加载器会把运行模块真正的首地址（不为零）与该偏移量相加，结果用来初始化指针变量。代码片断如下：

.section .rodata
.LC0: .string "Ok/n"
.data
p: .long .LC0
.o: R_386_32 w/ section
.so: R_386_RELATIVE

如果引用的是全局变量、函数，编译器同样设上R_386_32重定位标记，并且记录引用的符号名字。连接器不必动作。最后加载器查找被引用符号，结果用来初始化指针变量。

对于全局函数，查找的结果仍然是函数在PLT表中的代码片断，而不是实际入口。这与前面引用全局函数的讨论相同。代码片断如下：

.data
p: .long printf
.o: R_386_32 w/ symbol
.so: R_386_32 w/ symbol

3.6 总结

下表给出了前面讨论得到的全部结果：

.o .so
------------------------------------------------------------
|装载GOT表首地址 R_386_GOTPC NULL
代码段|-----------------------------------------------------
重定位|引用变量函数地址 静态 R_386_GOTOFF NULL
| 全局 R_386_GOT32 R_386_GLOB_DAT
|-----------------------------------------------------
|直接调用函数 静态 R_386_PLT32 NULL
| 全局 R_386_PLT32 R_386_JMP_SLOT
------|-----------------------------------------------------
数据段|引用变量函数地址 静态 R_386_32 w/sec R_386_RELATIVE
重定位| 全局 R_386_32 w/sym R_386_32 w/sym
------------------------------------------------------------

4 结束语

Windows使用PE文件格式，Linux使用ELF文件格式，这是两种动态连接库不同的根源。本文从ELF规范出发，深入讨论了Linux动态连接库的具体实现，目的在于进一步推广Linux的研究与应用。

5 附录：Linux汇编程序语法

x86体系结构上的Linux汇编器兼容于AT&T System V/386汇编器的语法，与常见的Intel 语法颇有不同，如下表：

AT&T Intel
常数 前缀$：pushl $4 push 4
寄存器 前缀%：離 ebx
跳转指令（绝对地址） 前缀*：jmp *fun
跳转指令（相对偏移） 无标记：jmp fun
目的、源操作数的顺序 源在前：movl $4,陎 目的在前：mov eax,4
操作数尺寸 后缀b、w、l：movl 修饰符byte ptr等等
变址寻址 [base disp] disp(base)

参考文献

Executable and Linking Format Spec v1.2, TIS Committee, 1995 http://x86.ddj.com/ftp/manuals/tools/elf.pdf GNU Project (gcc, libc, binutils), Free Software Foundation, Inc., 1999 http://www.gnu.org/software/ Solaris 2.5 Linker and Libraries Guide, Sun Microsystems Inc., 1999 http://docs.sun.com/ ftp://192.18.99.138/802-1955/802-1955.pdf
SVR4 ABI x86 Supplement, The Santa Cruz Operation, Inc., 1999 http://www.sco.com/developer/devspecs/abx86-4.pdf
ELF: From The Programmer's Perspective, H J Lu, 1995 http://metalab.unc.edu/pub/Linux/GCC/elf.ps.gz [6] Using ld: The GNU linker, S Chamberlain, Cygnus Support, 1994 http://www.gnu.org/manual/ld-2.9.1/ps/ld.ps.gz