Linux 為什么要動態(tài)鏈接？與靜態(tài)鏈接的區(qū)別是什么？
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在前面的文章中程序喵已經(jīng)介紹過靜態(tài)鏈接的原理，這篇文章我們來解密動態(tài)鏈接。
老規(guī)矩，先拋出幾個問題：
為什么要進行動態(tài)鏈接？
如何進行動態(tài)鏈接？
什么是地址無關(guān)代碼技術(shù)？
什么是延遲綁定技術(shù)？
如何在程序運行過程中進行顯式鏈接？
為什么要進行動態(tài)鏈接？
因為靜態(tài)鏈接有缺點：
浪費內(nèi)存和磁盤空間：如下圖，
Program1和Program2分別包含Program1.o和Program2.o兩個模塊，他們都需要Lib.o模塊。靜態(tài)鏈接情況下，兩個目標文件都用到Lib.o這個模塊，所以它們同時在鏈接輸出的可執(zhí)行文件Program1和program2中有副本，同時運行時，Lib.o在磁盤和內(nèi)存中有兩份副本，當系統(tǒng)中有大量類似Lib.o的多個程序共享目標文件時，就會浪費很大空間。
靜態(tài)鏈接對程序的更新部署和發(fā)布很不友好：假如一個模塊依賴20個模塊，當20個模塊其中有一個模塊需要更新時，需要將所有的模塊都找出來重新編譯出一個可執(zhí)行程序才可以更新成功，每次更新任何一個模塊，用戶就需要重新獲得一個非常大的程序，程序如果使用靜態(tài)鏈接，那么通過網(wǎng)絡(luò)來更新程序也會非常不便，一旦程序任何位置有一個小改動，都會導(dǎo)致整個程序重新下載。
為了解決靜態(tài)鏈接的缺點，所以引入了動態(tài)鏈接，動態(tài)鏈接的內(nèi)存分布如圖，
多個程序依賴同一個共享目標文件，這個共享目標文件在磁盤和內(nèi)存中僅有一份，不會產(chǎn)生副本，簡單來講就是不像靜態(tài)鏈接一樣對那些組成程序的目標文件進行鏈接，等到程序要運行時才進行鏈接，把鏈接這個過程推遲到運行時才執(zhí)行。動態(tài)鏈接的方式使得開發(fā)過程中各個模塊更加獨立，耦合度更小，便于不同的開發(fā)者和開發(fā)組織之間獨立的進行開發(fā)和測試。
如何進行動態(tài)鏈接？
看如下代碼：
// lib.cvoid func(int i) {printf("func %d \n", i);}
// Program.cvoid func(int i);int main() {func(1);return 0;}
編譯運行過程如下：
gcc -fPIC -shared -o lib.so lib.cgcc -o test Program.c ./lib.so./testfunc 1
通過-fPIC和-shared可以生成一個動態(tài)鏈接庫，再鏈接到可執(zhí)行程序就可以正常運行。
通過readelf命令可以查看動態(tài)鏈接庫的segment信息：
readelf -l lib.soElf file type is DYN (Shared object file)Entry point 0x530There are 7 program headers, starting at offset 64Program Headers:Type Offset VirtAddr PhysAddrFileSiz MemSiz Flags AlignLOAD 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x00000000000000000x00000000000006e4 0x00000000000006e4 R E 0x200000LOAD 0x0000000000000e10 0x0000000000200e10 0x0000000000200e100x0000000000000218 0x0000000000000220 RW 0x200000DYNAMIC 0x0000000000000e20 0x0000000000200e20 0x0000000000200e200x00000000000001c0 0x00000000000001c0 RW 0x8NOTE 0x00000000000001c8 0x00000000000001c8 0x00000000000001c80x0000000000000024 0x0000000000000024 R 0x4GNU_EH_FRAME 0x0000000000000644 0x0000000000000644 0x00000000000006440x0000000000000024 0x0000000000000024 R 0x4GNU_STACK 0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x00000000000000000x0000000000000000 0x0000000000000000 RW 0x10GNU_RELRO 0x0000000000000e10 0x0000000000200e10 0x0000000000200e100x00000000000001f0 0x00000000000001f0 R 0x1Section to Segment mapping:Segment Sections...00 .note.gnu.build-id .gnu.hash .dynsym .dynstr .gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .plt.got .text .fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame01 .init_array .fini_array .dynamic .got .got.plt .data .bss02 .dynamic03 .note.gnu.build-id04 .eh_frame_hdr0506 .init_array .fini_array .dynamic .got
可以看見動態(tài)鏈接模塊的裝載地址從0開始，0是無效地址，它的裝載地址會在程序運行時再確定，在編譯時是不確定的。
改一下程序：
// Program.cvoid func(int i);int main() {func(1);sleep(-1);return 0;}
運行讀取maps信息：
~/test$ ./test &[1] 126~/test$ func 1cat /proc/126/maps7ff2c59f0000-7ff2c5bd7000 r-xp 00000000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so7ff2c5bd7000-7ff2c5be0000 ---p 001e7000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so7ff2c5be0000-7ff2c5dd7000 ---p 000001f0 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so7ff2c5dd7000-7ff2c5ddb000 r--p 001e7000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so7ff2c5ddb000-7ff2c5ddd000 rw-p 001eb000 00:00 516391 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so7ff2c5ddd000-7ff2c5de1000 rw-p 00000000 00:00 07ff2c5df0000-7ff2c5df1000 r-xp 00000000 00:00 189022 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so7ff2c5df1000-7ff2c5df2000 ---p 00001000 00:00 189022 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so7ff2c5df2000-7ff2c5ff0000 ---p 00000002 00:00 189022 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so7ff2c5ff0000-7ff2c5ff1000 r--p 00000000 00:00 189022 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so7ff2c5ff1000-7ff2c5ff2000 rw-p 00001000 00:00 189022 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so7ff2c6000000-7ff2c6026000 r-xp 00000000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so7ff2c6026000-7ff2c6027000 r-xp 00026000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so7ff2c6227000-7ff2c6228000 r--p 00027000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so7ff2c6228000-7ff2c6229000 rw-p 00028000 00:00 516353 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so7ff2c6229000-7ff2c622a000 rw-p 00000000 00:00 07ff2c62e0000-7ff2c62e3000 rw-p 00000000 00:00 07ff2c62f0000-7ff2c62f2000 rw-p 00000000 00:00 07ff2c6400000-7ff2c6401000 r-xp 00000000 00:00 189023 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/test7ff2c6600000-7ff2c6601000 r--p 00000000 00:00 189023 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/test7ff2c6601000-7ff2c6602000 rw-p 00001000 00:00 189023 /mnt/d/wzq/wzq/util/test/test7fffee96f000-7fffee990000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]7ffff6417000-7ffff6c17000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]7ffff729d000-7ffff729e000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
可以看到，整個進程虛擬地址空間中，多出了幾個文件的映射，lib.so和test一樣，它們都是被操作系統(tǒng)用同樣的方法映射到進程的虛擬地址空間，只是它們占據(jù)的虛擬地址和長度不同，從maps里可以看見里面還有l(wèi)ibc-2.27.so，這是C語言運行庫，還有一個ld-2.27.so，這是Linux下的動態(tài)鏈接器，動態(tài)鏈接器和普通共享對象一樣被映射到進程的地址空間，在系統(tǒng)開始運行test前，會先把控制權(quán)交給動態(tài)鏈接器，動態(tài)鏈接器完成所有的動態(tài)鏈接工作后會把控制權(quán)交給test，然后執(zhí)行test程序。
當鏈接器將Program.o鏈接成可執(zhí)行文件時，這時候鏈接器必須確定目標文件中所引用的func函數(shù)的性質(zhì)，如果是一個定義于其它靜態(tài)目標文件中的函數(shù)，那么鏈接器將會按照靜態(tài)鏈接的規(guī)則，將Program.o的func函數(shù)地址進行重定位，如果func是一個定義在某個動態(tài)鏈接共享對象中的函數(shù)，那么鏈接器將會將這個符號的引用標記為一個動態(tài)鏈接的符號，不對它進行地址重定位，將這個過程留在裝載時再進行。
動態(tài)鏈接的方式
動態(tài)鏈接有兩種方式：裝載時重定位和地址無關(guān)代碼技術(shù)。
裝載時重定位：在鏈接時對所有絕對地址的引用不作重定位，而把這一步推遲到裝載時完成，也叫基址重置，每個指令和數(shù)據(jù)相當于模塊裝載地址是固定的，系統(tǒng)會分配足夠大的空間給裝載模塊，當裝載地址確定后，那指令和數(shù)據(jù)地址自然也就確定了。然而動態(tài)鏈接模塊被裝載映射到虛擬空間，指令被重定位后對于每個進程來講是不同的，沒有辦法做到同一份指令被多個進程共享，所以指令對不同的進程來說有不同的副本，還是空間浪費，怎么解決這個問題？使用fPIC方法。
地址無關(guān)代碼：指令部分無法在多個進程之間共享，不能節(jié)省內(nèi)存，所以引入了地址無關(guān)代碼的技術(shù)。我們平時編程過程中可能都見過-fPIC的編譯選項，這個就代表使用了地址無關(guān)代碼技術(shù)來實現(xiàn)真正的動態(tài)鏈接?；舅枷刖褪鞘褂肎OT（全局偏移表），這是一個指向變量或函數(shù)地址的指針數(shù)組，當指令要訪問變量或者調(diào)用函數(shù)時，會去GOT中找到相應(yīng)的地址進行間接跳轉(zhuǎn)訪問，每個變量或函數(shù)都對應(yīng)一個地址，鏈接器在裝載模塊的時候會查找每個變量和函數(shù)的地址，然后填充GOT中的各個項，確保每個指針指向的地址正確。GOT放在數(shù)據(jù)段，所以它可以在模塊裝載時被修改，并且每個進程都可以有獨立的副本，相互不受影響。
tips
-fpic和-fPIC的區(qū)別：它們都是地址無關(guān)代碼技術(shù)，-fpic產(chǎn)生的代碼相對較小較快，但是在某些平臺會有些限制，所以大多數(shù)情況下都是用-fPIC來產(chǎn)生地址無關(guān)代碼。
-fPIC和-fPIE的區(qū)別：一個作用于共享對象，一個作用于可執(zhí)行文件，一個以地址無關(guān)方式編譯的可執(zhí)行文件被稱作地址無關(guān)可執(zhí)行文件。
-fpie和-fPIE的區(qū)別：類似于-fpic和-fPIC的區(qū)別
延遲綁定技術(shù)
在程序剛啟動時動態(tài)鏈接器會尋找并裝載所需要的共享對象，然后進行符號地址尋址重定位等工作，這些工作會減慢程序的啟動速度，如果解決？
使用PLT延遲綁定技術(shù)，這里會單獨有一個叫.PLT的段，ELF將 GOT拆分成兩個表.GOT和.GOT.PLT，其中.GOT用來保存全局變量的引用地址，.GOT.PLT用來保存外部函數(shù)的地址，每個外部函數(shù)在PLT中都有一個對應(yīng)項，在初始化時不會綁定，而是在函數(shù)第一次被用到時才進行綁定，將函數(shù)真實地址與對應(yīng)表項進行綁定，之后就可以進行間接跳轉(zhuǎn)。
顯式運行時鏈接
支持動態(tài)鏈接的系統(tǒng)往往都支持顯式運行時鏈接，也叫運行時加載，讓程序自己在運行時控制加載的模塊，在需要時加載需要的模塊，在不需要時將其卸載。這種運行時加載方式使得程序的模塊組織變得很靈活，可以用來實現(xiàn)一些諸如插件、驅(qū)動等功能。
通過這四個API可以進行顯式運行時鏈接：
dlopen()：打開動態(tài)鏈接庫dlsym()：查找符號dlerror()：錯誤處理dlclose()：關(guān)閉動態(tài)鏈接庫
參考這段使用代碼：
int main() {void *handle;void (*f)(int);char *error;handle = dlopen("./lib.so", RTLD_NOW);if (handle == NULL) {printf("handle null \n");return -1;}f = dlsym(handle, "func");do {if ((error = dlerror()) != NULL) {printf("error\n");break;}f(100);} while (0);dlclose(handle);return 0;}
編譯運行：
gcc -o test program.c -ldl./testfunc 100
總結(jié)
為什么要進行動態(tài)鏈接？為了解決靜態(tài)鏈接浪費空間和更新困難的缺點。
動態(tài)鏈接的方式？裝載時重定位和地址無關(guān)代碼技術(shù)。
地址無關(guān)代碼技術(shù)原理？通過GOT段實現(xiàn)間接跳轉(zhuǎn)。
延遲加載技術(shù)原理？對外部函數(shù)符號通過PLT段實現(xiàn)延遲綁定及間接跳轉(zhuǎn)。
如果進行顯式運行時鏈接？通過<dlfcn.h>頭文件中的四個函數(shù)，代碼如上。
參考資料
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-dynlink/index.html
http://chuquan.me/2018/06/03/linking-static-linking-dynamic-linking/
https://www.cnblogs.com/tracylee/archive/2012/10/15/2723816.html
《程序員的自我修養(yǎng)：鏈接裝載與庫》
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