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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:乐鱼播客C/C++学科 浏览次数:

    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：乐鱼播客C/C++培训学院
    首发：http://www.itcast.cn/c/
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