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深度剖析 Linux 共享库的“位置无关”实现原理

Wu Zhangjin 创作于 2019/11/19
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By Falcon of TinyLab.org Nov 09, 2019

背景简介

如何创建一个可执行的共享库 一文谈完了如何让共享库可直接执行，本文再来谈谈共享库的运行时位置无关（PIC）是如何做到的。

PIC = position independent code

-fpic Generate position-independent code (PIC) suitable for use in a shared library

共享库有一个很重要的特征，就是可以被多个可执行文件共享，以达到节省磁盘和内存空间的目标：

  • 共享意味着不仅磁盘上只有一份拷贝，加载到内存以后也只有一份拷贝，那么代码部分在运行时也不能被修改，否则就得有多个拷贝存在
  • 同时意味着，需要能够灵活映射在不同的虚拟地址空间，以便适应不同程序，避免地址冲突

这两点要求共享库的代码和数据都是位置无关的，接下来先看看什么是“位置无关”。

什么是位置无关

同样以 hello.c 为例：

#include <stdio.h>

int main(void)
{
    printf("hello\n");

    return 0;
}

以普通的方式来编译并反汇编一个可执行文件看看：

$ gcc -m32 -o hello hello.c
$ objdump -d hello | grep -B1 "call.*puts@plt>"
 8048416:    68 b0 84 04 08           push   $0x80484b0
 804841b:    e8 c0 fe ff ff           call   80482e0 <puts@plt>

可以看到上面传递给 puts（printf）的字符串地址是“写死的”，在编译时就是确定的，这意味着 Load Address 也必须是固定的：

$ readelf -l hello | grep LOAD | head -1
  LOAD           0x000000 0x08048000 0x08048000 0x005b0 0x005b0 R E 0x1000

上面可以看到 Load Address 为 0x8048000。

如果 Load Address 改变，数据地址就指向别的内容了，这就是“位置有关”。

共享库的话，必须摒弃这种“写死的”地址，要做到“位置无关”（注：prelink 是特殊需求，暂且不表）。

如何做到位置无关（Part1）

位置无关，意味着运行时可以灵活调整 Load Address，当 Load Address 在运行时发生改变后，代码还能被执行到，数据也能被正确访问。

那么代码和数据都变成跟 Load Address 相关的，不能再是绝对地址，而需要采用某个相对 Load Address 的地址。

动态链接器会负责找到可执行文件的共享库并装载它们，所以动态链接器是知道这个 Load Address 的，那么函数符号其实是很容易确定的，来看看不带 -fpic 时编译生成一个共享库：

  • 查看 main 函数的初始地址
$ gcc -m32 -shared -o libhello.so hello.c
$ objdump -d libhello.so | grep -A 2 "main>:"
000004a9 <main>:
 4a9:    8d 4c 24 04              lea    0x4(%esp),%ecx
 4ad:    83 e4 f0                 and    $0xfffffff0,%esp
  • 查看“装载地址”，编译后初始化为 0
$ readelf -l libhello.so | grep LOAD | head -1
  LOAD           0x000000 0x00000000 0x00000000 0x0057c 0x0057c R E 0x1000
  • 确认 main 在文件中的偏移
$ readelf --dyn-syms libhello.so | grep m
Symbol table '.dynsym' contains 12 entries:
   Num:    Value  Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     4: 00000000     0 NOTYPE  WEAK   DEFAULT  UND __gmon_start__
     9: 000004a9    46 FUNC    GLOBAL DEFAULT   11 main

$ hexdump -C -s $((0x4a9)) -n 10 libhello.so
000004a9  8d 4c 24 04 83 e4 f0 ff  71 fc                    |.L$.....q.|
000004b3

可以看到，对于 main 而言，无论把共享库装载到哪里，动态链接器总能根据 Load Address 以及 .dynsym 中的偏移把 main 的运行时地址算出来（见 glibc：_dl_fixup）。

但是，这个时候（不用 -fpic 的话），数据地址和 puts 的地址也是“写死的”（实际上要到运行时才通过动态重定位确定运行时地址）：

$ objdump -d libhello.so  | grep -B1 "call.*main"
 4bd:	68 ec 04 00 00       	push   $0x4ec
			4be: R_386_RELATIVE	*ABS*
 4c2:	e8 fc ff ff ff       	call   4c3 <main+0x1a>
			4c3: R_386_PC32	puts@GLIBC_2.0
 4c7:	83 c4 10             	add    $0x10,%esp

作为对比，来看看加上 -fpic 的效果：

$ gcc -m32 -shared -fpic -o libhello.so hello.c
$ objdump -dr libhello.so  | grep -B6  "call.*puts@plt>"
 4c8:    e8 28 00 00 00           call   4f5 <__x86.get_pc_thunk.ax>
 4cd:    05 33 1b 00 00           add    $0x1b33,%eax
 4d2:    83 ec 0c                 sub    $0xc,%esp
 4d5:    8d 90 10 e5 ff ff        lea    -0x1af0(%eax),%edx
 4db:    52                       push   %edx
 4dc:    89 c3                    mov    %eax,%ebx
 4de:    e8 bd fe ff ff           call   3a0 <puts@plt>

可以看到，用上 -fpic 以后，传递给 puts 的数据地址（push %edx）已经是通过动态计算的，那是怎么算的呢？

上面有个内联进来的函数很关键：

$ objdump -dr libhello.so  | grep -A3  "__x86.get_pc_thunk.ax>:"
000004f5 <__x86.get_pc_thunk.ax>:
 4f5:    8b 04 24                 mov    (%esp),%eax
 4f8:    c3                       ret

这个函数贼简单，从栈顶取了一个数据就跳回去了，取的数据是什么呢？这就要了解调用它的 call 指令了。

call 指令会把下一条指令的 eip 压栈然后 jump 到目标地址：

  call backward   ==>   push eip;
                        jmp backward

所以，数据地址是运行时计算的，跟运行时的 “eip” 给关联上了。

不难猜测，如果知道当前指令的位置，又提前保存了数据离当前位置的偏移，那么数据地址是可以直接计算的，只是上面那一段代码还是略微复杂了，因为有一堆 “Magic Number”。

不管怎么样，先来模拟计算一下，假设装载到的地址就是 0x0，那么执行到 add 指令时存到 eax 的 eip，恰好是 call 返回后下一条指令的地址，即 0x4cd：

 4c8:    e8 28 00 00 00           call   4f5 <__x86.get_pc_thunk.ax>
 4cd:    05 33 1b 00 00           add    $0x1b33,%eax
 4d5:    8d 90 10 e5 ff ff        lea    -0x1af0(%eax),%edx

根据上述指令，那么 %edx 计算出来就是 0x510：

$ echo "obase=16;$((0x4cd+0x1b33-0x1af0))" | bc
510

再去取数据：

$ hexdump -C -s $((0x510)) -n 10 libhello.so
00000510  68 65 6c 6c 6f 00 00 00  01 1b                    |hello.....|
0000051a

果然是字符串的地址，所以，相对偏移其实被拆分成了两部分：0x1b33 和 -0x1af0。两个 “Magic Number” 一加就出来了。

所以，小结一下，“位置无关” 是通过运行时动态获取 “eip” 并加上一个编译时记录好的偏移计算出来的，这样的话，无论加载到什么位置，都能访问到数据。

如何做到位置无关（Part2）

这对 “Magic Number” 还是需要再看一看，既然是编译时确定的，看看汇编状态是怎么回事：

$ gcc -m32 -shared -fpic -S hello.c
$ cat hello.s | grep -v .cfi
...
.LC0:
    .string    "hello"
    .text
    .globl    main
    .type    main, @function
main:
.LFB0:
    leal    4(%esp), %ecx
    andl    $-16, %esp
    pushl    -4(%ecx)
    pushl    %ebp
    movl    %esp, %ebp
    pushl    %ebx
    pushl    %ecx
    call    __x86.get_pc_thunk.ax
    addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax
    subl    $12, %esp
    leal    .LC0@GOTOFF(%eax), %edx
    pushl    %edx
    movl    %eax, %ebx
    call    puts@PLT
...

从 i386 的 archABI 不难找到这块的定义（P61~P62），name@GOTOFF(%eax) 直接表示 name 符号相对 %eax 保存的 GOT 的偏移地址。

首先，编译时要计算 $_GLOBAL_OFFSET_TABLE 和 .LC0@GOTOFF。

$_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 为 GOT 相对 eip 的偏移，可计算为：

$GLOBAL_OFFSET_TABLE = .got.plt - eip

计算过程如下：

$ readelf -S libhello.so  | grep .got.plt
  [21] .got.plt          PROGBITS        00002000 001000 000010 04  WA  0   0  4
$ echo "obase=16;$((0x2000-0x4cd))" | bc
1B33

接着，计算 .LC0@GOTOFF：

.LC0 - eip = $GLOBAL_OFFSET_TABLE + .LC0@GOTOFF .LC0@GOTOFF = .LC0 - eip - $GLOBAL_OFFSET_TABLE

计算过程如下：

$ echo "obase=16;$((0x510-0x4cd-0x1B33))" | bc
-1AF0

反过来，运行时的计算公式为：

.LC0 = $GLOBAL_OFFSET_TABLE + .LC0@GOTOFF + eip .LC0 = 0x1B33 + (-1AF0) + eip

.got.plt = $GLOBAL_OFFSET_TABLE + eip .got.plt = 0x1B33 + eip

实际上，只有 .got.plt 的地址，即 ebx 需要 $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 来计算，这个是用来做动态地址重定位的，暂且不表。

.LC0 的地址，完全可以换一种方式，直接用 .LC0 到 eip 的偏移即可，汇编代码改造完如下：

    call    __x86.get_pc_thunk.ax
.eip:
    # 计算 eip + (.LC0 - .eip) 刚好指向内存中的数据 "hello" 所在位置
    movl    %eax, %ebx
    leal    (.LC0 - .eip)(%eax), %edx

    # 计算 .got.plt 地址，_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 是相对 eip 的偏移，所以必须加上这个 offset：. - .eip
    addl    $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ + [. - .eip], %ebx
    subl    $12, %esp
    pushl   %edx
    call    puts@PLT

验证结果：

$ gcc -m32 -g -shared -fpic -o libhello.so hello.s
$ gcc -m32 -g -o hello.noc -L./ -lhello
$ LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:./ ./hello.noc
hello

小结

本文详细介绍了 Linux 下 C 语言共享库“位置无关”（PIC）的核心实现原理：即用 EIP 相对地址来取代绝对地址。

“位置无关” 代码会带来很大的内存使用灵活性，也会带来一定的安全性，因为“位置无关”以后就可以带来加载地址的随机性，给代码注入带来一定的难度。

由于有上述好处，各大平台的 gcc 都开始默认打开可执行文件的 -pie -fpie 了，因为 gcc 编译时开启了：--enable-default-pie。这也可能导致一些“衰退”，大家可以根据需要关闭它：-no-pie，-fno-pie。

当然，共享库的实现精髓不止于此，最核心的还是函数符号地址的动态解析过程，而这些则跟上面的 .got.plt 地址密切相关，受限于篇幅，暂时不做详细展开。

如果想进一步了解共享库动态链接的工作原理，进一步了解 .got.plt 并理解相关的过程链接表、全局偏移表的工作机制，欢迎订阅吴老师的 10 小时 C 语言进阶视频课：《360° 剖析 Linux ELF》。


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