Katyusha's blog

可重定位目标文件的格式#

• ELF头：描述生成该ELF文件的系统的信息，以及该ELF文件的一些基本信息
• .text：已编译生成的机器代码
• .rodata：只读数据，如常量，printf输出的字符串等
• .data：被初始化的全局和静态变量
• .bss：未初始化的静态变量或初始化为0的全局和静态变量，这些变量运行时占用内存，但在目标文件中通常只记录大小而不占用实际数据字节
• .symtab：存放在该程序中定义和引用的全局变量，静态变量和函数的信息
• .rel.text .text部分中需要重定位的位置(引用的外部函数)
• .rel.data .data中需要被重定位的位置(引用的外部全局变量)
• .debug .line 编译选项-g得到的调试信息
• .strtab 存储.symtab和.debug中符号的一个字符串表

符号解析#

强符号：函数和已初始化的全局变量 弱符号：未初始化的全局变量 不难发现，对于变量来说，弱符号都被分配到COMMON节

链接器使用以下规则处理多重定义的符号：

1. 不允许有多个同名的强符号
2. 如果有一个强符号和多个弱符号同名，选择强符号
3. 如果有多个弱符号同名，任意选择一个

以下是一个由该规则可能导致的错误

两个模块中，第一个x是强符号，而第二个是COMMON，链接器将它们合并，并按较大的对象大小分配存储，那么对 x 的写入可能覆盖相邻数据，例如修改到 y

在C中，可以使用gcc -fno-common这样的选项，让链接器在遇到多重定义的全局符号时报错；而在C++中不支持COMMON，相当于默认使用该行为

与静态库链接#

静态库是相关目标文件(.o文件)的集合，以存档格式(.a文件)存储，链接静态库时，链接器只复制被程序引用的目标模块 使用AR工具，可以创建函数的一个静态库 linux> gcc -c addvec.c multvec.c linux> ar rcs libvector.a addvec.o multvec.o 要使用这个静态库，我们直接在main.c中加入#include "vector.h"即可调用addvec，multvec这两个函数(无需声明原型) 然后再使用-static使链接器进行静态链接 linux> gcc -c main.c linux> gcc -static -o prog main.o ./libvector.a

重定位#

完成符号解析后，链接器进行重定位，包含两个关键步骤：

1. 合并输入模块得到聚合节，并为每个聚合节和其中的符号分配运行时内存地址
2. 根据重定位条目，修改每个符号的引用，使它们指向正确的运行时地址

重定位条目#

重定位条目存在于.rel.data和.rel.text中，作用是告知链接器如何对于一个外部符号进行修改，其结构如下

重定位的算法描述如下

为了便于理解，我们直接举下面的例子

注意：linux x86-64使用小端序！！！ array是一个外部变量，我们想要将它的地址作为参数传入%edi中，但是由于地址未知，所以32位都用0来填充，并在这里留下一个类型为R_X86_64_32的重定位条目，表示进行32位绝对重定位。该条目的offset偏移值为$0xa$，即重定位会从该偏移值开始填充32位，addend为0（结构体访问成员时可能不为0）。refptr指向这段填充的0的起始位置，然后将从这个位置开始的4个字节赋为该符号分配的地址的值，得到array的正确地址，并传入sum函数作为参数

同样由于sum的具体代码的内存地址未知，使用0填充并留下一个类型为R_X86_64_PC32的重定位条目，表示进行32位相对重定位(因为call 一般使用相对寻址)，当执行call时，PC指向下一条指令的开头，即PC增加了4，为了补偿这个增量，我们将addend设置为-4，refptr指向这段填充的0的起始位置，然后计算.text聚合节中分配运行内存后，sum函数相对于.text的地址偏移量，并加上addend作为补偿，得到的就是在分配的内存中PC跳转到sum需要的地址偏移量，将这个值存入refptr指向的后4个字节中。当调用sum函数时，PC的值增加这个偏移量，刚好是sum函数的第一条指令

经过重定位，最后得到可执行目标文件

动态链接的过程#

首先，执行一次静态的链接，生成的部分链接的可执行文件中含有共享库中的重定位和符号表信息，但是没有符号具体的定义 在执行这个部分链接的可执行文件前或运行中，动态链接器动态地将共享库中符号具体定义链接进来，内存中即为完全链接的可执行文件

linux系统提供了相关的程序接口dlopen()、dlsym()、dlclose()、dlerror()，可以在程序运行中进行动态链接

位置无关代码#

咕咕咕

库打桩机制#

打桩允许我们截获对共享库函数的调用，取而代之执行自己的代码，这对于调试大型项目时极其有效

打桩可以在三个不同的阶段进行：

1. 编译时打桩

例如，为了对于程

1
gcc -DCOMPILETIME -c mymalloc.c
2
gcc -I. -o prog main.c mymalloc.o

2. 链接时打桩

1
gcc -DLINKTIME -c mymalloc.c
2
gcc -c main.c
3
gcc -Wl,--wrap,malloc -Wl,--wrap,free -o prog main.o mymalloc.o

3. 运行时打桩

1
#define _GNU_SOURCE
2
#include <dlfcn.h>
3

4
void *malloc(size_t size) {
5
    void *(*mallocp)(size_t size);
6
    char *error;
7

8
    mallocp = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); // 获取libc的malloc
9
    // ... 打桩代码 ...
10
    return (*mallocp)(size);
11
}

这一章看下来真的太难受了（（（