阿龙的学习笔记---《程序员自我修养-链接、装载与库》读书笔记(三)

2024-06-13 20:35:36

六、动态链接

动态链接
- 静态链接可以让模块单独开发测试，但是每个程序内部都需要包含所有的模块，占用空间很大；如果两个程序都需要同一个模块，那么静态链接会有两个重复的模块都在内存中；再者，程序中模块更新，程序就要重新链接发布。
- 动态链接同样也是将程序分模块，但是不再静态链接在一起，而是在运行时才链接在一起。
- 动态链接还有一个特点是：可以在运行时动态选择加载各种程序模块。动态链接还可以加强程序的兼容性，在两个机器上printf()不同，那么只需要加载不同的运行库，而不是编译两套程序。
基本实现
- 一个小例子：将lib.c文件编译为共享对象文件(Linux下动态链接文件，windows下叫动态链接库)，调用库中的foobar()函数。
- 编译过程如下：
- 我们可以看到，上面Lib.c独立编译链接成了Lib.so，而好像Program1.o在链接的时候也用到了Lib.so，这是怎么回事呢？是因为在这一步，普通的静态链接会将地址等重定位，而他需要确定foobar()是一个动态链接的函数(在Lib.so中定义了foobar的符号)，而标记为一个动态链接符号，在运行前装载时再确定地址。
- 动态链接so文件也是ELF文件，起始地址是0x00000000，是无效的，所以说明最终装载地址在编译时是不确定的。
地址无关代码
- 共享对象的装载地址，很早以前是固定的，很多弊端。现在是会被分配到不同地址。而可执行文件基本可以确定自己在进程虚拟空间的起始位置(这里不是很明白)，因为可执行文件往往是第一个被加载的文件，它可以选择一个固定空闲的地址，比如 Linux下般都是0x08040000， Windows下一般都是0x0040000。
- 为了能让共享对象在任意地址装载，可以装载时重定位，装载地址确定了之后，系统对程序中所有动态链接地址进行重定位。但是有一个问题：动态模块装载至虚拟空间后，重定位会修改指令部分，比如一些模块间的调用，而同一份指令不能被多个进程共享。(为啥？？？)
- 解决办法之一是地址无关代码（PIC Position-independent Code）。基本想法就是把指令中那些需要被修改的部分分离出来，跟数据部分放在一起，这样指令部分就可以保持不变，而数据部分可以在每个进程中拥有一个副本。
- 有几种地址引用，一种是内部的函数调用、数据访问等，这个编译时按照相对寻址，所以不用加载也可以确定。另一种是外部的模块间的函数调用、数据访问等，这就涉及到这些模块都加载到什么位置了，编译时是无法确定的，那么可以将地址信息剥离，放进数据部分，怎么做呢？把这些地址放进一个全局偏移表（Global Offset Table），指令中通过间接引用，执行表中对应位置。
- GOT是放在数据部分的，在模块加载时呗修改，每个进程的有独立的副本，互不影响，则代码部分做法哦了地址无关。
- 地址无关代码的编译参数是 -fPIC。
- 使用装载时重定位方式的共享对象比地址代码无关的共享对象，运行时要快一些，因为少了一个间接地址寻址的过程。
延迟绑定
- 动态链接机制下，可能包含大量的函数调用，但不一定都会用得到，但动态链接过程很费事儿。所以在函数第一次被用到的时候才进行绑定。
动态链接过程
- 动态链接器自举，自举就是自己加载自己。
- 然后将可执行文件和链接器的符号表合并，形成全局符号表。然后寻找依赖的共享对象。然后一个个加载，首先打开相应so文件，读取ELF头和.dynamic段，将相应的代码段和数据段映射到进程空间。
- 如果这个共享对象还依赖其他的共享对象，则再进行加载。本质上是一个图，可以使用广度优先搜索的方式进行加载。
- 每个对象的符号表都会被合并进全局符号表。
- 上述完成后，动态链接器会对每一个共享对象的重定位表，将每个需要重定位的位置进行修正。
显式运行时链接
- 支持动态链接的系统往往都支持一种更加灵活的模块加载方式，叫做显式运行时链接
  （ Explicit Run-time Linking），有时候也叫做运行时加载。也就是让程序自己在运行时控制加载指定的模块，并且可以在不需要该模块时将其卸载。0

七、Linux共享库的组织

共享库与共享对象从文件结构上来讲没什么差别，Linux下就是ELF的共享对象。
命名一般以libname.so.x.y.z 或者 libname-x-y-z.so 。x为主版本号，y为次版本号，z为发布版本号。主版本号之间不兼容，次版本兼容，增量升级。
共享库的路径一般是 /lib - 系统, /usr/lib - 非系统开发, /usr/local/lib - 第三方。
环境变量： LD LIBRARY PATH。

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