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解决 Linux 内核 Section GC 失败问题 - Part 2

Yuan Tan 创作于 2024/03/20
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Corrector: TinyCorrect v0.2-rc2 - [spaces toc urls] Author: Yuan Tan tanyuan@tinylab.org Date: 20230929 Revisor: Falcon falcon@tinylab.org Project: RISC-V Linux 内核剖析 Sponsor: PLCT Lab, ISCAS

概述

本文为 解决 Linux 内核 Section GC 失败问题 系列文章的一部分。

前面几篇文章介绍了 Section GC 的使用方法和原理，以及 Linux 内核中的 Section GC 失败问题。

要彻底解决这个问题，我们需要让 .pushsection 能够正确地建立引用关系，避免强制保留的使用，以杜绝依赖反转。

经过翻阅文档和社区的讨论，我们总结了两种能够手动建立引用关系的方法。

解决方案

Section Group

在同一个 section group 中的节只要有一个节被保留，那么 group 中的所有节都会被保留，这是我们解决 Section GC 失败的有力工具。

section 所属的 section group 可以在汇编创建 section 的时候指定。

.section name , "flags"G, @type, GroupName[, linkage]

或者使用 flag ?，让该 section 跟随父 section 的 section group。

.section name , "flags"?

现在的思路是：

  1. 为父函数增加 section group 属性。
  2. 使用 flag ?，让 Pushed Section 跟随父 Section 的 section group。

这样两个节就能被同时保留。

有两种方法可以完成第一步，给 C 语言的函数添加 section group 属性。

  • 方法一：

使用汇编指令 .attach_to_group name，在 section 已经创建完毕后为其添加 group。

int fun1() {
  asm(".attach_to_group \"MyGroup\"");

  asm(".pushsection .test,\"ax?\",@progbits\n"
      ".string \"hello\"\n"
      ".popsection");
  return 0;
}

int main() {
  fun1();
  return 0;
}

$ riscv64-linux-gnu-gcc -ffunction-sections -Wl,--gc-sections example.c -c
$ riscv64-linux-gnu-readelf -g example.o

group section [    1] `.group' [MyGroup] contains 2 sections:
   [Index]    Name
   [    5]   .text.fun1
   [    6]   .test
$ riscv64-linux-gnu-gcc -ffunction-sections  -Wl,--gc-sections,--print-gc-sections example.c
ld: removing unused section '.rodata.cst4' in file '/usr/riscv64-linux-gnu/usr/lib/Scrt1.o'
ld: removing unused section '.riscv.attributes' in file '/usr/lib/gcc/riscv64-linux-gnu/12.2.0/crti.o'
ld: removing unused section '.riscv.attributes' in file '/usr/lib/gcc/riscv64-linux-gnu/12.2.0/crtn.o'

.test 没有被 GC，和 group 中的 .text.main 一起被保留了下来。

  • 方法二：

不推荐该方法。

在 __attribute__((section("section-name))) 中写汇编，加入 flag 和 GroupName，然后用类似 SQL 注入的方式，手动添加 # 来截断编译器生成的该行后续的汇编代码。

int __attribute__((section(".text.fun1,\"axG\",@progbits,\"MyGroup\" #")))fun1()
{
    asm(".pushsection .test1,\"axG\",@progbits,\"MyGroup\"\n"
    "        .string \"hello\"\n"
    ".popsection");
    return 0;
}

生成的汇编代码为：

.section	.text.fun1,"axG",@progbits,"MyGroup" #,"ax",@progbits

汇编器实际上处理的是

.section	.text.fun1,"axG",@progbits,"MyGroup"

有缺陷的解决方案

上一篇文章中提到，__ex_table 的 .pushsection 引入了依赖反转问题，它的建立方式是这样定义的：

// arch/riscv/include/asm/asm-extable.h:14

#define __ASM_EXTABLE_RAW(insn, fixup, type, data)	\
	".pushsection	__ex_table, \"a\"\n"		\
	".balign	4\n"				\
	".long		((" insn ") - .)\n"		\
	".long		((" fixup ") - .)\n"		\
	".short		(" type ")\n"			\
	".short		(" data ")\n"			\
	".popsection\n"

要让它和父函数在一个 section group 中，和父函数同时被保留下来，最简单的做法是，直接在该宏里增加 .attach_to_group "GroupName"，同时在 .pushsection 的 flag 中增加 ?：

#define __ASM_EXTABLE_RAW(insn, fixup, type, data)	\
	".attach_to_group GroupName" \
	".pushsection	__ex_table, \"a?\"\n"		\
	".balign	4\n"				\
	".long		((" insn ") - .)\n"		\
	".long		((" fixup ") - .)\n"		\
	".short		(" type ")\n"			\
	".short		(" data ")\n"			\
	".popsection\n"

这样无论该宏在何处展开，都会为 Section Pusher 增加一个 group，并且和 .pushsection 在同一个 group 中。

每个 Section Pusher 都应该处于不同的 group，否则一个 Section Pusher 被保留，其他没被使用到的 Section Pusher 也被保留了。

此外，这个宏可能会在一个函数内多次展开，即 Section Pusher 调用了多次 .pushsection，那么 Section Pusher 就会执行多次 .attach_to_group，链接器会产生警告。我们希望 .attach_to_group 在一个函数里只执行一次。

  • 如果仅使用文件名作为 GroupName，并且使用 ifdef 来辅助判断当前 Section Pusher 是否已经在 group 中，如果不在，则 .attach_to_group。那么一个文件的所有函数都会加入一个 group 里，会被同时 GC 或者保留，不满足需求。
  • 如果使用文件名和行号作为 GroupName，宏仍可能一个函数内展开多次，且无法判断当前 Section Pusher 是否在 group 中。

因此我们需要一个函数级别独特的字符串来作为 GroupName。就能使用 ifdef 来辅助判断当前 Section Pusher 是否已经在 group 中

函数名是做容易想到的方法，但是无论是 __func__ 或者 __FUNCTION__ 都不是宏，是在编译时候才能确定的。因此我们无法使用函数名来作为 GroupName。我们只能暂时使用类似文件名和行号的形式。

#define ___PASTE(a,b) a##b
#define __PASTE(a,b) ___PASTE(a,b)

#ifndef __UNIQUE_ID
# define __UNIQUE_ID __PASTE(__PASTE(__COUNTER__, _), __LINE__)
#endif

#define __ASM_EXTABLE_RAW(insn, fixup, type, data)	\
	".attach_to_group "__stringify(__UNIQUE_ID_Extable)"\n" \
	".pushsection	__ex_table, \"a?\"\n"		\
	".balign	4\n"				\
	".long		((" insn ") - .)\n"		\
	".long		((" fixup ") - .)\n"		\
	".short		(" type ")\n"			\
	".short		(" data ")\n"			\
	".popsection\n"

这样编译后会出现警告：

Warning: section .text.main already has a group (GroupName)

内核社区是不接受有警告的代码存在的，而且链接器并未提供选项来关闭这个警告，所以这个方案虽然能解决问题，但并不能合入主线。

查看 as 的 文档，可以查看 .pushsection 和 .section 的定义。

.pushsection name [, subsection] [, "flags"[, @type[,arguments]]]
.section name [, "flags"[, @type[,flag_specific_arguments]]]

flags 中有一个符合我们的要求：

o
section references a symbol defined in another section (the linked-to section) in the same file.

If flags contains the o flag, then the type argument must be present along with an additional field like this:

.section name,"flags"o,@type,SymbolName|SectionIndex

我们可以使用该 flag 来手动指定该 section 引用到了 Section Pusher，来建立引用。

void unused_function() {
    return;
}

int main() {
    asm("Section_Pusher_Symbol:\n");
    asm(".pushsection .should_not_GC,\"ao\",@progbits,Section_Pusher_Symbol\n"
        ".popsection");
    return 0;
}

$ riscv64-linux-gnu-gcc -ffunction-sections -Wl,--gc-sections,--print-gc-sections example_shf.c
ld: removing unused section '.rodata.cst4' in file '/usr/lib/gcc-cross/riscv64-linux-gnu/11/../../../../riscv64-linux-gnu/lib/Scrt1.o'
ld: removing unused section '.riscv.attributes' in file '/usr/lib/gcc-cross/riscv64-linux-gnu/11/crti.o'
ld: removing unused section '.text.unused_function' in file '/tmp/cceocy7f.o'
ld: removing unused section '.riscv.attributes' in file '/usr/lib/gcc-cross/riscv64-linux-gnu/11/crtn.o'

在这段代码中，我们在 main() 中新建了一个 label Section_Pusher_Symbol，然后在 .pushsection 使用 o flag，指定为该 symbol。

可以看到，在增加了 o flag 后，pushsed section 没有被 GC，实现了项目目标。

在 Linux 内核中验证

Linux Lab 已经集成了基于上述两种方案的 Patch。切换到 Linux Lab 的 section-gc 分支即可进行验证。

git checkout section-gc

启用 dse feature 并编译：

make test b=riscv64/virt f=dse LINUX=v6.6-rc2

查看保留的系统调用数量：

$ nm build/riscv64/virt/linux/v6.6-rc2/vmlinux | grep "T __riscv_sys" | grep -v sys_ni_syscall | wc -l
40

结果表明，裁剪掉了许多系统调用，验证了方案可行性。

总结

这篇文章中我们提出了两种解决 Linux 内核 Section GC 失败问题方法。它们能在不产生副作用的情况下，避免 KEEP 的使用，让所有节建立正确的依赖关系，为链接器提供更多的信息。

参考资料


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