老規(guī)矩，先提出幾個問題：

• 為什麼要進行動態(tài)連結(jié)？
• 如何進行動態(tài)連結(jié)？
• 什麼是地址無關(guān)代碼技術(shù)？
• 什麼是延遲綁定技術(shù)？
• 如何在程式運行過程中進行明確連結(jié)？

為什麼要進行動態(tài)連結(jié)？

動態(tài)連結(jié)的出現(xiàn)是為了解決靜態(tài)連結(jié)的一些缺點：

1. 節(jié)約記憶體與磁碟空間：如下圖所示，

#Program1和Program2分別包含Program1.o和Program2.o兩個模組，他們都需要Lib.o模組。靜態(tài)連結(jié)情況下，兩個目標檔案都用到Lib.o這個模組，所以它們同時在連結(jié)輸出的可執(zhí)行檔Program1和program2中有副本，同時執(zhí)行時，Lib.o在磁碟和記憶體中有兩份副本，當系統(tǒng)中有大量類似Lib.o的多個程式共享目標檔案時，就會浪費很大空間。

1. 靜態(tài)連結(jié)對程式的更新部署和發(fā)布很不友善

假如一個模組依賴20個模組，當20個模組其中有一個模組需要更新時，需要將所有的模組找出來重新編譯出一個可執(zhí)行程式才可以更新成功，每次更新任何一個模組，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，那麼通過網(wǎng)絡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)存分佈如圖，

多個程式依賴同一個共享目標文件，這個共享目標文件在磁碟和內(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，等到程式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)連結(jié)的方式使得開發(fā)過程中各個模組更加獨立，耦合度更小，便於不同的開發(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)連結(jié)？

看如下程式碼：

//?lib.c
#include?

void?func(int?i)?{
???printf("func?%d?\n",?i);
}
//?Program.c
void?func(int?i);

int?main()?{
???func(1);
???return?0;
}

編譯運行過程如下：

$?gcc?-fPIC?-shared?-o?lib.so?lib.c
$?gcc?-o?test?Program.c?./lib.so
$?./test
$?func?1

透過-fPIC和-shared可以產(chǎn)生一個動態(tài)連結(jié)函式庫，再連結(jié)到可執(zhí)行程式就可以正常運作。

透過readelf指令可以查看動態(tài)連結(jié)庫的segment資訊：

~/test$?readelf?-l?lib.so

Elf?file?type?is?DYN?(Shared?object?file)
Entry?point?0x530
There?are?7?program?headers,?starting?at?offset?64

Program?Headers:
?Type???????????Offset?????????????VirtAddr???????????PhysAddr
????????????????FileSiz????????????MemSiz??????????????Flags??Align
?LOAD???????????0x0000000000000000?0x0000000000000000?0x0000000000000000
????????????????0x00000000000006e4?0x00000000000006e4??R?E????0x200000
?LOAD???????????0x0000000000000e10?0x0000000000200e10?0x0000000000200e10
????????????????0x0000000000000218?0x0000000000000220??RW?????0x200000
?DYNAMIC????????0x0000000000000e20?0x0000000000200e20?0x0000000000200e20
????????????????0x00000000000001c0?0x00000000000001c0??RW?????0x8
?NOTE???????????0x00000000000001c8?0x00000000000001c8?0x00000000000001c8
????????????????0x0000000000000024?0x0000000000000024??R??????0x4
?GNU_EH_FRAME???0x0000000000000644?0x0000000000000644?0x0000000000000644
????????????????0x0000000000000024?0x0000000000000024??R??????0x4
?GNU_STACK??????0x0000000000000000?0x0000000000000000?0x0000000000000000
????????????????0x0000000000000000?0x0000000000000000??RW?????0x10
?GNU_RELRO??????0x0000000000000e10?0x0000000000200e10?0x0000000000200e10
????????????????0x00000000000001f0?0x00000000000001f0??R??????0x1

Section?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_frame
??01?????.init_array?.fini_array?.dynamic?.got?.got.plt?.data?.bss
??02?????.dynamic
??03?????.note.gnu.build-id
??04?????.eh_frame_hdr
??05
??06?????.init_array?.fini_array?.dynamic?.got

可以看見動態(tài)連結(jié)模組的裝載位址從0開始，0是無效位址，它的裝載位址會在程式執(zhí)行時再確定，在編譯時是不確定的。

改一下程式：

//?Program.c
#include?
void?func(int?i);

int?main()?{
???func(1);
???sleep(-1);
???return?0;
}

運行讀取maps資訊：

~/test$?./test?&
[1]?126
~/test$?func?1
cat?/proc/126/maps
7ff2c59f0000-7ff2c5bd7000?r-xp?00000000?00:00?516391?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7ff2c5bd7000-7ff2c5be0000?---p?001e7000?00:00?516391?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7ff2c5be0000-7ff2c5dd7000?---p?000001f0?00:00?516391?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7ff2c5dd7000-7ff2c5ddb000?r--p?001e7000?00:00?516391?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7ff2c5ddb000-7ff2c5ddd000?rw-p?001eb000?00:00?516391?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.27.so
7ff2c5ddd000-7ff2c5de1000?rw-p?00000000?00:00?0
7ff2c5df0000-7ff2c5df1000?r-xp?00000000?00:00?189022?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so
7ff2c5df1000-7ff2c5df2000?---p?00001000?00:00?189022?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so
7ff2c5df2000-7ff2c5ff0000?---p?00000002?00:00?189022?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so
7ff2c5ff0000-7ff2c5ff1000?r--p?00000000?00:00?189022?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so
7ff2c5ff1000-7ff2c5ff2000?rw-p?00001000?00:00?189022?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/lib.so
7ff2c6000000-7ff2c6026000?r-xp?00000000?00:00?516353?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7ff2c6026000-7ff2c6027000?r-xp?00026000?00:00?516353?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7ff2c6227000-7ff2c6228000?r--p?00027000?00:00?516353?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7ff2c6228000-7ff2c6229000?rw-p?00028000?00:00?516353?????????????/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.27.so
7ff2c6229000-7ff2c622a000?rw-p?00000000?00:00?0
7ff2c62e0000-7ff2c62e3000?rw-p?00000000?00:00?0
7ff2c62f0000-7ff2c62f2000?rw-p?00000000?00:00?0
7ff2c6400000-7ff2c6401000?r-xp?00000000?00:00?189023?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/test
7ff2c6600000-7ff2c6601000?r--p?00000000?00:00?189023?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/test
7ff2c6601000-7ff2c6602000?rw-p?00001000?00:00?189023?????????????/mnt/d/wzq/wzq/util/test/test
7fffee96f000-7fffee990000?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。

基本思想就是使用GOT（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中找到相應的地址進行間接跳轉(zhuǎn)訪問，每個變量或函數(shù)都對應一個地址，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：

#include?
#include?

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
$?./test
func?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)連結(jié)的方式？ 裝載時重定位和位址無關(guān)程式碼技術(shù)。

位址無關(guān)程式碼技術(shù)原理？ 透過GOT段實現(xiàn)間接跳躍。

延遲載入技術(shù)原理？ 對外部函數(shù)符號透過PLT段實現(xiàn)延遲綁定及間接跳轉(zhuǎn)。

如果進行明確運行時連結(jié)？ 透過頭檔中的四個函數(shù)，程式碼如上。

以上是Linux 動態(tài)連結(jié)與靜態(tài)連結(jié)原來是這麼回事？的詳細內(nèi)容。更多資訊請關(guān)注PHP中文網(wǎng)其他相關(guān)文章！