Static Link && Dynamic Link

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  • dynamic link && load

静态库： .a

动态库( aka 共享对象 ): .so

  • 需求： 允许引用其他文件（C标准称为编译单元compilation unit）里定义的符号
    • C不阻止你随便声明符号的类型
    • 但类型不匹配是undefined behavior
  • 使用-Wl,--verbose可以将--verbose传递给ld
    • 可以看到ld script
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//a.c

int foo(int a , int b)
{
    return a + b;
}
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//b.c
int x = 100;
int y = 200;
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#include<stdio.h>

extern int x,y;

// extern int foo(int a, int b);
extern int foo;可以看到
int main()
{
    // printf("%d + %d = %d\n", x, y, foo(x,y) );
    printf("%x\n", foo );
    foo = 1;
}
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//Makefile
CFLAGE := -Os

a.out: a.o b.o main.o
		gcc -static -Wl,--verbose a.o b.o main.o
a.o: a.c
		gcc $(CFLAGS) -c a.c
b.o: b.c
		gcc $(CFLAGS) -c b.c

main.o: main.c
		gcc $(CFLAGS) -c main.c
clean:
		rm -f *.o a.out
  • 刚编译完程序的时候，main.o不能运行，因为其外部符号都“留空”
    • objdump -d a.o
    • （符号地址还没有解析，暂时是全零）
  • 链接后objdump -d a.out | grep main 可以看到其外部符号已经被正确赋值

static load

静态ELF加载器：加载a.out时执行

  • ELF文件中有若干个ELF program header， 描述了文件到内存的映射。

  • 静态ELF加载器根据ELF program header,将文件中指定部分移动到内存

    • 遍历ELF中的各个program header，然后read/ mmap

  • OS在execve时执行：

    • OS在kernel mode调用mmap

      (进程还未准备好时，由内核直接执行系统调用)

    • 映射好a.out代码、数据、堆、栈、vvar、vdso、vsyscall

  • 加载完成后，静态链接的程序就从ELF entry开始执行：

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     readelf -h a.out                             
    ELF Header:
      Magic:   7f 45 4c 46 02 01 01 03 00 00 00 00 00 00 00 00 
      Class:                             ELF64
      Data:                              2's complement, little endian
      Version:                           1 (current)
      OS/ABI:                            UNIX - GNU
      ABI Version:                       0
      Type:                              EXEC (Executable file)
      Machine:                           Advanced Micro Devices X86-64
      Version:                           0x1
      Entry point address:               0x401670 //ELF entry 0x401670
      Start of program headers:          64 (bytes into file)
      Start of section headers:          795088 (bytes into file)
      Flags:                             0x0
      Size of this header:               64 (bytes)
      Size of program headers:           56 (bytes)
      Number of program headers:         10
      Size of section headers:           64 (bytes)
      Number of section headers:         32
      Section header string table index: 31

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    gdb a.out  
    ...
    (gdb) starti
    Starting program: /home/lyk/Documents/Hexo/LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out 

    Program stopped.
    0x0000000000401670 in _start () //可以看到，确实是0x401670

  • 查看该进程的地址空间：

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    (gdb) info inferiors
      Num  Description       Connection           Executable        
    * 1    process 15776     1 (native)           /home/lyk/Documents/Hexo/LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out 
    (gdb) !cat /proc/15776/maps
    00400000-00401000 r--p 00000000 103:08 3802167                           .../LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out
    00401000-00482000 r-xp 00001000 103:08 3802167                           .../LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out
    00482000-004a9000 r--p 00082000 103:08 3802167                           .../LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out
    004aa000-004b1000 rw-p 000a9000 103:08 3802167                           .../LYK-love.github.io/source/_drafts/Test/a.out
    004b1000-004b2000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]
    7ffff7ff9000-7ffff7ffd000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
    7ffff7ffd000-7ffff7fff000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
    7ffffffde000-7ffffffff000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
    ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]
    (gdb)

    可看到的确有上述内容

静态链接缺点：导致复用性降低，磁盘过多被占用

  • 需求： 节约内存

  • Linux系统会共享动态链接库的一个副本（可以用size查看内存占用）

  • 实现动态加载（代码）：

    • 编译成Position Independent Code( PIC )
      • 引用代码全部使用PC相对寻址
      • x86已经是这样了
    • 把代码mmap进进程的地址空间

  • 实现动态加载（代码+数据+允许访问其他动态链接库导出的符号）：

    • 编译成Position Independent Code( PIC )
      • 引用代码全部使用PC相对寻址
      • x86已经是这样了
    • 对于其他动态链接库导出的符号，可以在数据区维护一张表，每次引用该符号时就查表。在运行时给相应的表项赋值
    • 把代码mmap到进程的地址空间

  • ELF文件都有 Global Offset TableGOT， 即上述的“表”

    • Lazy Symbol Resolution: 不一次性加载GOT的所有符号

Example

编写两个简单的程序（fred.c, bill.c），将其编译为目标文件，并分别生成静态库和动态库。再编写程序调用之，说明库的使用。

  1. 生成静态链接库
    1. gcc -c h.c -o h.o
    2. ar cqs libh.a h.o：ar是生成库的命令，cqs是参数，libh.a是生成的静态链接库须以lib开头，h是库名，a表示是静态链接库，h.o是刚生成的目标文件
  2. 生成动态链接库
    1. gcc -c h.c -o h.o
    2. gcc -shared -WI -o libh.so h.o：生成动态链接库使用gcc来完成，-shared -WI是参数，libh.so是刚生成的静态链接库，必须以lib开头，h是库名，so表示动态链接库，h.o是刚生成目标文件。
  3. 将生成的libh.a，libh.so拷贝到/usr/lib或/lib下
  4. 编译带静态链接库的程序
    1. gcc -c test.c -o test.o
    2. gcc test.o -o test -WI -Bstatic -lh:-WI -Bstatic表示链接静态库，-lh中-l表示链接，h是库名即/usr/lib下的libh.a
  5. 编译带动态链接库的程序
    1. gcc -c test.c -o test.o
    2. gcc test.o -o test -WI -Bdynamic -lh:-WI -Bdynamic表示链接动态库，-lh中-l表示链接，h是库名即/usr/lib下的libh.so
  6. 运行./test得到结果