动态链接库中函数的地址确定---PLT和GOT [转]

 前面写过动态链接库 延迟绑定的一篇博文，那篇文章我非常喜欢，但是当时刚搞清楚，自己写的比较凌乱，我最近学习了Ulrich Drepper的How to write share library，学习了几篇其他的讲述动态链接的文章，再次整理了这篇文章。

 

    有一个问题是我们调用了动态链接库里面的函数，我们怎么知道动态链接库里面的函数的地址呢？事实上，直到我们第一次调用这个函数，我们并不知道这个函数的地址，这个功能要做延迟绑定 lazy bind。 因为程序的分支很多，并不是所有的分支都能跑到，想想我们的异常处理，异常处理分支的动态链接库里面的函数也许永远跑不到，所以，一上来就解析所有出现过的动态库里面的函数是个浪费的办法，降低性能并且没有必要。

    下面我们看下延迟绑定的效果。我写了个程序，先睡15s，然后pthread_create 一个线程。我们用LD_DEBUG观察符号的解析。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<pthread.h>


void* myfunc()
{
        while(1)
        {
         sleep(10);
        }
        return NULL;
}



int main()
{
        sleep(15);
        pthread_t tid = 0;
        int ret = pthread_create(&tid,NULL,myfunc,NULL);
        if(ret)
        {
                fprintf(stderr,"pthread create failed %m 
");
                return -1;
        }

        ret = pthread_join(tid,NULL);
        if(ret)
        {
                fprintf(stderr,"pthread join failed %m
");
                return -2;
        }

        return 0;
}

root@libin:~/program/C/plt_got# LD_DEBUG=symbols ./test
2849:	symbol=_res;  lookup in file=./test [0]
2849:	symbol=_res;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:	symbol=_res;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]
2849:	symbol=_IO_file_close;  lookup in file=./test [0]
2849:	symbol=_IO_file_close;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:	symbol=_IO_file_close;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]
2849:	symbol=rpc_createerr;  lookup in file=./test [0]
2849:	symbol=rpc_createerr;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:	symbol=rpc_createerr;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]

...................

 2849:    transferring control: ./test

 2849:

 2849:    symbol=sleep;  lookup in file=./test [0]

 2849:    symbol=sleep;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]

 2849:    symbol=sleep;  lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]

===================================================================================

    然后停了15s，才解析出pthread_create的地址，由此可见，得确是运行时重定位，知道用到这个函数pthread_create才真正去找这个函数的地址。

2849:
2849:    symbol=sleep; lookup in file=./test [0]
2849:    symbol=sleep; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:    symbol=sleep; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]
===================================================================================
2849:    symbol=pthread_create; lookup in file=./test [0]
2849:    symbol=pthread_create; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:    symbol=__getpagesize; lookup in file=./test [0]
2849:    symbol=__getpagesize; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:    symbol=__getpagesize; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]
2849:    symbol=mmap; lookup in file=./test [0]
2849:    symbol=mmap; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libpthread.so.0 [0]
2849:    symbol=mmap; lookup in file=/lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 [0]

    真正动态库中函数地址的解析是第一次调用的时候做的，然后如果再次用到动态库的解析过的函数，就直接用第一次解析的结果。很自然的想法就是，一定有地方存储函数的地址，否则第一次解析出来的结果，第二次调用也没法利用。 这个存储动态库函数的地方就要GOT，Global Offset Table。 OK，我们可以想象，如果我的程序里面用到了6个动态库里面的函数，那个这个GOT里面就应该存有6个条目，每个条目里面存储着对应函数的地址。事实的确是这样：

root@libin:~/program/C/plt_got# readelf -r test

Relocation section '.rel.dyn' at offset 0x394 contains 2 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
08049ff0 00000206 R_386_GLOB_DAT 00000000 __gmon_start__
0804a020 00000905 R_386_COPY 0804a020 stderr

Relocation section '.rel.plt' at offset 0x3a4 contains 6 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
0804a000 00000107 R_386_JUMP_SLOT 00000000 pthread_join
0804a004 00000207 R_386_JUMP_SLOT 00000000 __gmon_start__
0804a008 00000407 R_386_JUMP_SLOT 00000000 __libc_start_main
0804a00c 00000507 R_386_JUMP_SLOT 00000000 fprintf
0804a010 00000607 R_386_JUMP_SLOT 00000000 pthread_create
0804a014 00000707 R_386_JUMP_SLOT 00000000 sleep

    我们看到了有全局变量stderr和__gmon_start__需要重定位，这些本文并不关心。下面是需要重定位的函数，可以看出，我们调用动态库里面的函数都在这了，fprintf是Glibc库的，pthread_create是pthread库的等等。

 
   动态库里面需要重定位的函数在.got.plt这个段里面，我们看下：

 

    .got.plt这个段的起始地址是0x8049ff4。 .got.plt这个section大小为0x24 = 36,可是我们只有6个需要解析地址的function，4*6=24个字节，只需要24个字节就能存放这6个函数指针。多出来的12个字节是dynamic段地址，ModuleID 和 _dl_runtime_resolve的地址，如下图所示

 

    OK 。我们看一下：

(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x8048551: file test.c, line 19.
(gdb) r
Starting program: /home/libin/program/C/plt_got/test
[Thread debugging using libthread_db enabled]

Breakpoint 1, main () at test.c:19
19	sleep(15);
(gdb) x/24x 0x8049ff4
0x8049ff4 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_>:	0x08049f18	0x0012c8f8	0x00123270	0x0804841a
0x804a004 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+16>:	0x0804842a	0x0015daf0	0x0804844a	0x0804845a
0x804a014 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+32>:	0x0804846a	0x00000000	0x00000000	0x0029c580
0x804a024 :	0x00000000	0x00000000	0x00000000	0x00000000
0x804a034:	0x00000000	0x00000000	0x00000000	0x00000000
0x804a044:	0x00000000	0x00000000	0x00000000	0x00000000

蓝色的0x0849f18是dynamic段的地址

[21] .dynamic DYNAMIC 08049f18 000f18 0000d8 08 WA 7 0 4

 

接下来，我们要分析PLT 和GOT的关系了。

(gdb) disas main
....

0x0804857e <+54>:	lea 0x1c(%esp),%eax
0x08048582 <+58>:	mov %eax,(%esp)
0x08048585 <+61>:	call 0x8048454<pthread_create@plt>
0x0804858a <+66>:	mov %eax,0x18(%esp)
0x0804858e <+70>:	cmpl $0x0,0x18(%esp)
.....

　
    要执行pthread_create 函数，跳到PLT部分。

libin@libin:~/program/C/plt_got$ objdump -dj .plt test

test: file format elf32-i386


Disassembly of section .plt:

08048404 <pthread_join@plt-0x10>:
8048404:	ff 35 f8 9f 04 08 pushl 0x8049ff8
804840a:	ff 25 fc 9f 04 08 jmp *0x8049ffc
8048410:	00 00 add %al,(%eax)
...

08048414 <pthread_join@plt>:
8048414:	ff 25 00 a0 04 08 jmp *0x804a000
804841a:	68 00 00 00 00 push $0x0
804841f:	e9 e0 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

08048424 <__gmon_start__@plt>:
8048424:	ff 25 04 a0 04 08 jmp *0x804a004
804842a:	68 08 00 00 00 push $0x8
804842f:	e9 d0 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

08048434 <__libc_start_main@plt>:
8048434:	ff 25 08 a0 04 08 jmp *0x804a008
804843a:	68 10 00 00 00 push $0x10
804843f:	e9 c0 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

08048444 <fprintf@plt>:
8048444:	ff 25 0c a0 04 08 jmp *0x804a00c
804844a:	68 18 00 00 00 push $0x18
804844f:	e9 b0 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

08048454 <pthread_create@plt>:
8048454:	ff 25 10 a0 04 08 jmp *0x804a010
804845a:	68 20 00 00 00 push $0x20
804845f:	e9 a0 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

08048464 <sleep@plt>:
8048464:	ff 25 14 a0 04 08 jmp *0x804a014
804846a:	68 28 00 00 00 push $0x28
804846f:	e9 90 ff ff ff jmp 8048404 <_init+0x30>

    PLT部分认为pthread_create函数存放在GOT，0x804a010是GOT里面的一个条目，这个条目存储着pthread_create函数的地址。当第二次以至于第N次调用pthead_create的时候，的的确确存放着pthread_create的地址，但是第一次不行，第一次这个条目里面还没记录这个地址。那么这个条目记录的是什么呢？

(gdb) x/10i 0x8048454
0x8048454 <pthread_create@plt>:	jmp *0x804a010
0x804845a <pthread_create@plt+6>:	push $0x20
0x804845f <pthread_create@plt+11>:	jmp 0x8048404
0x8048464 <sleep@plt>:	jmp *0x804a014
0x804846a <sleep@plt+6>:	push $0x28
0x804846f <sleep@plt+11>:	jmp 0x8048404
0x8048474:	add %al,(%eax)
0x8048476:	add %al,(%eax)
0x8048478:	add %al,(%eax)
0x804847a:	add %al,(%eax)
(gdb) x/10x 0x804a010
0x804a010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+28>:	0x0804845a	0x0804846a	0x00000000	0x00000000
0x804a020 <stderr@@glibc_2.0>:	0x0029c580	0x00000000	0x00000000	0x00000000
0x804a030:	0x00000000	0x00000000

    0x804a010这个地址最终应该记录的是pthread_create的地址，但是目前还不是，记录的是0x084845a

 08048454 <pthread_create@plt>:
 8048454:	ff 25 10 a0 04 08    	jmp    *0x804a010
 804845a:	68 20 00 00 00       	push   $0x20
 804845f:	e9 a0 ff ff ff       	jmp    8048404 <_init+0x30>

    从PLT跳到GOT 找地址，但是第一次找的时候，并不是pthread_create的地址，而是又跳回来PLT，我们看到push了0x20之后，跳到了0x8048404。 每一个PLT的代码段，都是push了一个值之后，跳到了0x8048404。大家可以去上面的图验证。

 

 

    接下来，我们看0x8048404存放的是啥指令：

(gdb) x/10i 0x8048404
   0x8048404:    pushl 0x8049ff8
   0x804840a:    jmp *0x8049ffc
   0x8048410:    add %al,(%eax)
   0x8048412:    add %al,(%eax)
   0x8048414 <pthread_join@plt>:    jmp *0x804a000
   0x804841a <pthread_join@plt+6>:    push $0x0
   0x804841f <pthread_join@plt+11>:    jmp 0x8048404
   0x8048424 <__gmon_start__@plt>:    jmp *0x804a004
   0x804842a <__gmon_start__@plt+6>:    push $0x8
   0x804842f <__gmon_start__@plt+11>:    jmp 0x8048404

(gdb) x/10x 0x8049ffc
0x8049ffc <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+8>:    0x00123270    0x0804841a    0x0804842a    0x0015daf0
0x804a00c <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+24>:    0x0804844a    0x0804845a    0x0804846a    0x00000000
0x804a01c <__dso_handle>:    0x00000000    0x0029c580
(gdb) x/10i 0x00123270
   0x123270 <_dl_runtime_resolve>:    push %eax
   0x123271 <_dl_runtime_resolve+1>:    push %ecx
   0x123272 <_dl_runtime_resolve+2>:    push %edx
   0x123273 <_dl_runtime_resolve+3>:    mov 0x10(%esp),%edx
   0x123277 <_dl_runtime_resolve+7>:    mov 0xc(%esp),%eax
   0x12327b <_dl_runtime_resolve+11>:    call 0x11d5a0 <_dl_fixup>
   0x123280 <_dl_runtime_resolve+16>:    pop %edx
   0x123281 <_dl_runtime_resolve+17>:    mov (%esp),%ecx
   0x123284 <_dl_runtime_resolve+20>:    mov %eax,(%esp)
   0x123287 <_dl_runtime_resolve+23>:    mov 0x4(%esp),%eax

    我们看到0x8049ffc就是GOT的第三项，前文提到的dl_runtime_resolve的地址。这个函数将帮助我们将pthread_create函数地址定位，并且填入GOT表的相应位置 0x804a010。

 

    我们watch下GOT pthread_create对应条目，看下这个条目啥时候变化：

(gdb) b main
Breakpoint 1 at 0x8048551: file test.c, line 19.
(gdb) r
Starting program: /home/libin/program/C/plt_got/test
[Thread debugging using libthread_db enabled]

Breakpoint 1, main () at test.c:19
19     sleep(15);
(gdb) watch *0x804a010
Hardware watchpoint 2: *0x804a010
(gdb) c
Continuing.
Hardware watchpoint 2: *0x804a010

Old value = 134513754
New value = 1260912
_dl_fixup (l=<value optimized out>, reloc_arg=<value optimized out>) at dl-runtime.c:155
155    dl-runtime.c: 没有那个文件或目录.
    in dl-runtime.c
(gdb) bt
#0 _dl_fixup (l=<value optimized out>, reloc_arg=<value optimized out>) at dl-runtime.c:155
#1 0x00123280 in _dl_runtime_resolve () at ../sysdeps/i386/dl-trampoline.S:37
#2 0x0804858a in main () at test.c:21
(gdb)

    看到了，是_dl_runtime_resolve调用了_dl_fixup修改了GOT的对应条目。

(gdb) x/10i 1260912
   0x133d70 <__pthread_create_2_1>:    push %ebp
   0x133d71 <__pthread_create_2_1+1>:    mov %esp,%ebp
   0x133d73 <__pthread_create_2_1+3>:    push %edi
   0x133d74 <__pthread_create_2_1+4>:    push %esi
   0x133d75 <__pthread_create_2_1+5>:    push %ebx
   0x133d76 <__pthread_create_2_1+6>:    call 0x132340 <__i686.get_pc_thunk.bx>
   0x133d7b <__pthread_create_2_1+11>:    add $0x10279,%ebx
   0x133d81 <__pthread_create_2_1+17>:    sub $0x4c,%esp
   0x133d84 <__pthread_create_2_1+20>:    mov 0xc(%ebp),%edx
   0x133d87 <__pthread_create_2_1+23>:    test %edx,%edx

    这是第一次。第二次就比较简单了，因为GOT里面有一个条目已经有了pthread_create函数的地址。

 

 

    

    本文里面两个PLT图来自http://eli.thegreenplace.net/2011/11/03/position-independent-code-pic-in-shared-libraries/。这个博客内容相当的好，我学到了很多的东西。

 

参考文献：

 1 Position Independent Code (PIC) in shared libraries

 2 How to write share library.

 

来源：http://blog.chinaunix.net/uid-24774106-id-3349549.html