elf文件类型六 Dynamic Section（动态section）

Dynamic Section（动态section）


假如一个object文件参与动态的连接，它的程序头表将有一个类型为PT_DYNAMIC
的元素。该“段”包含了.dynamic section。一个_DYNAMIC特别的符号，表明了
该section包含了以下结构的一个数组。

+ Figure 2-9: Dynamic Structure

  typedef struct {
      Elf32_Sword d_tag;
      union {
          Elf32_Sword d_val;
          Elf32_Addr d_ptr;
      } d_un;
  } Elf32_Dyn;

  extern Elf32_Dyn _DYNAMIC[];

对每一个有该类型的object，d_tag控制着d_un的解释。

* d_val

  那些Elf32_Word object描绘了具有不同解释的整形变量。

* d_ptr

  那些Elf32_Word object描绘了程序的虚拟地址。就象以前提到的，在执行时，
  文件的虚拟地址可能和内存虚拟地址不匹配。当解释包含在动态结构中的地址
  时是基于原始文件的值和内存的基地址。为了一致性，文件不包含在
  重定位入口来纠正在动态结构中的地址。


以下的表格总结了对可执行和共享object文件需要的tag。假如tag被标为
mandatory，ABI-conforming文件的动态连接数组必须有一个那样的入口。
同样的，“optional”意味着一个可能出现tag的入口，但是不是必须的。

+ Figure 2-10: Dynamic Array Tags, d_tag

  Name               Value  d_un         Executable   Shared Object
  ====               =====  ====         ==========   =============
  DT_NULL                0  ignored mandatory    mandatory
  DT_NEEDED 1  d_val optional     optional
  DT_PLTRELSZ 2  d_val optional     optional
  DT_PLTGOT 3  d_ptr optional     optional
  DT_HASH 4  d_ptr mandatory    mandatory
  DT_STRTAB 5  d_ptr mandatory    mandatory
  DT_SYMTAB 6  d_ptr mandatory    mandatory
  DT_RELA 7  d_ptr mandatory    optional
  DT_RELASZ 8  d_val mandatory    optional
  DT_RELAENT 9  d_val mandatory    optional
  DT_STRSZ 10  d_val mandatory    mandatory
  DT_SYMENT 11  d_val mandatory    mandatory
  DT_INIT 12  d_ptr optional     optional
  DT_FINI 13  d_ptr optional     optional
  DT_SONAME 14  d_val ignored      optional
  DT_RPATH 15  d_val optional     ignored
  DT_SYMBOLIC 16  ignored ignored      optional
  DT_REL 17  d_ptr mandatory    optional
  DT_RELSZ 18  d_val mandatory    optional
  DT_RELENT 19  d_val mandatory    optional
  DT_PLTREL 20  d_val optional     optional
  DT_DEBUG 21  d_ptr optional     ignored
  DT_TEXTREL 22  ignored optional     optional
  DT_JMPREL 23  d_ptr optional     optional
  DT_LOPROC     0x70000000  unspecified  unspecified  unspecified
  DT_HIPROC     0x7fffffff  unspecified  unspecified  unspecified

* DT_NULL

   一个DT_NULL标记的入口表示了_DYNAMIC数组的结束。

* DT_NEEDED

  这个元素保存着以NULL结尾的字符串表的偏移量，那些字符串是所需库的名字。
  该偏移量是以DT_STRTAB 为入口的表的索引。看“Shared Object Dependencies”
  关于那些名字的更多信息。动态数组可能包含了多个这个类型的入口。那些
  入口的相关顺序是重要的，虽然它们跟其他入口的关系是不重要的。

* DT_PLTRELSZ

  该元素保存着跟PLT关联的重定位入口的总共字节大小。假如一个入口类型
  DT_JMPREL存在，那么DT_PLTRELSZ也必须存在。

* DT_PLTGOT

  该元素保存着跟PLT关联的地址和（或者）是GOT。具体细节看处理器补充
  （processor supplement）部分。

* DT_HASH

  该元素保存着符号哈希表的地址，在“哈希表”有描述。该哈希表指向
  被DT_SYMTAB元素引用的符号表。

* DT_STRTAB

  该元素保存着字符串表地址，在第一部分有描述，包括了符号名，库名，
  和一些其他的在该表中的字符串。

* DT_SYMTAB

  该元素保存着符号表的地址，在第一部分有描述，对32-bit类型的文件来
  说，关联着一个Elf32_Sym入口。

* DT_RELA

  该元素保存着重定位表的地址，在第一部分有描述。在表中的入口有明确的
  加数，就象32-bit类型文件的Elf32_Rela。一个object文件可能好多个重定位
  section。当为一个可执行和共享文件建立重定位表的时候，连接编辑器连接
  那些section到一个单一的表。尽管在object文件中那些section是保持独立的。
  动态连接器只看成是一个简单的表。当动态连接器为一个可执行文件创建一个
  进程映象或者是加一个共享object到进程映象中，它读重定位表和执行相关的
  动作。假如该元素存在，动态结构必须也要有DT_RELASZ和DT_RELAENT元素。
  当文件的重定位是mandatory，DT_RELA 或者 DT_REL可能出现（同时出现是
  允许的，但是不必要的）。


* DT_RELASZ

  该元素保存着DT_RELA重定位表总的字节大小。

* DT_RELAENT

  该元素保存着DT_RELA重定位入口的字节大小。
 

* DT_STRSZ

  该元素保存着字符串表的字节大小。

* DT_SYMENT

  该元素保存着符号表入口的字节大小。

* DT_INIT

  该元素保存着初始化函数的地址，在下面“初始化和终止函数”中讨论。

* DT_FINI

  该元素保存着终止函数的地址，在下面“初始化和终止函数”中讨论。

* DT_SONAME

  该元素保存着以NULL结尾的字符串的字符串表偏移量，那些名字是共享
  object的名字。偏移量是在DT_STRTAB入口记录的表的索引。关于那些名字看
  Shared Object Dependencies 部分获得更多的信息。

* DT_RPATH

  该元素保存着以NULL结尾的搜索库的搜索目录字符串的字符串表偏移量。
  在共享object依赖关系（Shared Object Dependencies）中有讨论

* DT_SYMBOLIC

  在共享object库中出现的该元素为在库中的引用改变动态连接器符号解析的算法。
  替代在可执行文件中的符号搜索，动态连接器从它自己的共享object开始。假如
  一个共享的object提供引用参考失败，那么动态连接器再照常的搜索可执行文件
  和其他的共享object。
 

* DT_REL

  该元素相似于DT_RELA，除了它的表有潜在的加数，正如32-bit文件类型的
  Elf32_Rel一样。假如这个元素存在，它的动态结构必须也同时要有DT_RELSZ
  和DT_RELENT的元素。

* DT_RELSZ

  该元素保存着DT_REL重定位表的总字节大小。

* DT_RELENT

  该元素保存着DT_RELENT重定为入口的字节大小。  

* DT_PLTREL

  该成员指明了PLT指向的重定位入口的类型。适当地， d_val成员保存着
  DT_REL或DT_RELA。在一个PLT中的所有重定位必须使用相同的转换。

* DT_DEBUG

  该成员被调试使用。它的内容没有被ABI指定；访问该入口的程序不是
  ABI-conforming的。

* DT_TEXTREL

  如在程序头表中段许可所指出的那样，这个成员的缺乏代表没有重置入
  口会引起非写段的修改。假如该成员存在，一个或多个重定位入口可能
  请求修改一个非写段，并且动态连接器能因此有准备。
 

* DT_JMPREL

  假如存在，它的入口d_ptr成员保存着重定位入口（该入口单独关联着
  PLT）的地址。假如lazy方式打开，那么分离它们的重定位入口让动态连接
  器在进程初始化时忽略它们。假如该入口存在，相关联的类型入口DT_PLTRELSZ
  和DT_PLTREL一定要存在。

* DT_LOPROC through DT_HIPROC

  在该范围内的变量为特殊的处理器语义保留。除了在数组末尾的DT_NULL元素，
  和DT_NEEDED元素相关的次序，入口可能出现在任何次序中。在表中不出
  现的Tag值是保留的。


  Shared Object Dependencies（共享Object的依赖关系）

当连接器处理一个文档库时，它取出库中成员并且把它们拷贝到一个输出的
object文件中。当运行时没有包括一个动态连接器的时候，那些静态的连接服
务是可用的。共享object也提供服务，动态连接器必须把正确的共享object
文件连接到要实行的进程映象中。因此，可执行文件和共享的object文件之间
存在着明确的依赖性。

当动态连接器为一个object文件创建内存段时，依赖关系（在动态结构的
DT_NEEDED入口中记录）表明需要哪些object来为程序提供服务。通过
重复的连接参考的共享object和他们的依赖关系，动态连接器可以建造一个
完全的进程映象。当解决一个符号引用的时候，动态连接器以宽度优先搜索
（breadth-first）来检查符号表，换句话说，它先查看自己的可实行程序
中的符号表，然后是顶端DT_NEEDED入口（按顺序）的符号表，再接下来是
第二级的DT_NEEDED入口，依次类推。共享object文件必须对进程是可读的；
其他权限是不需要的。

注意：即使当一个共享object被引用多次（在依赖列关系表中），动态连接器
只把它连接到进程中一次。

在依赖关系列表中的名字既被DT_SONAME字符串拷贝，又被建立object文件
时的路径名拷贝。例如，动态连接器建立一个可执行文件（使用带DT_SONAME
入口的lib1共享文件）和一个路径名为/usr/lib/lib2的共享object库，
那么可执行文件将在它自己的依赖关系列表中包含lib1和/usr/bin/lib2。

假如一个共享object名字有一个或更多的反斜杠字符(/)在这名字的如何地方，
例如上面的/usr/lib/lib2文件或目录，动态连接器把那个字符串自己做为路径名。
假如名字没有反斜杠字符(/)，例如上面的lib1，三种方法指定共享文件的
搜索路径，如下：

* 第一，动态数组标记DT_RPATH保存着目录列表的字符串（用冒号(:)分隔）。
  例如，字符串/home/dir/lib:/home/dir2/lib:告诉动态连接器先搜索
  /home/dir/lib，再搜索/home/dir2/lib，再是当前目录。

* 第二，在进程环境中（see exec(BA_OS)），有一个变量称为LD_LIBRARY_PATH
  可以保存象上面一样的目录列表（随意跟一个分号(;)和其他目录列表）。
  以下变量等于前面的例子：
    LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib:/home/dir2/lib:
    LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib;/home/dir2/lib:
    LD_LIBRARY_PATH=/home/dir/lib:/home/dir2/lib:;
  所以的LD_LIBRARY_PATH目录在DT_RPATH指向的目录之后被搜索。尽管一些
  程序（例如连接编辑器）不同的处理分号前和分号后的目录，但是动态连接
  不会。不过，动态连接器接受分号符号，具体语意在如上面描述。

* 最后，如果上面的两个目录查找想要得到的库失败，那么动态连接器搜索
  /usr/lib.

注意：出于安全考虑，动态连接器忽略set-user和set-group的程序的
LD_LIBRARY_PATH所指定的搜索目录。但它会搜索DT_RPATH指明的目录和
/usr/lib。


Global Offset Table(GOT全局偏移量表)

一般情况下，位置无关的代码不包含绝对的虚拟地址。全局偏移量表在私有数据
中保存着绝对地址，所以应该使地址可用的，而不是和位置无关性和程序代码段
共享能力妥协。一个程序引用它的GOT(全局偏移量表)来使用位置无关的地址并且
提取绝对的变量，所以重定位位置无关的参考到绝对的位置。

初始时，GOT(全局偏移量表)保存着它重定位入口所需要的信息 [看第一部分的
“Relocation”]。在系统为一个可装载的object文件创建内存段以后，动态
连接器处理重定位入口，那些类型为R_386_GLOB_DAT的指明了GOT(全局偏移量表)。
动态连接器决定了相关的标号变量，计算他们的绝对地址，并且设置适当的内存
表入口到正确的变量。虽然当连接编辑器建造object文件的时候，绝对地址
是不知道，连接器知道所以内存段的地址并且能够因此计算出包含在那里的
标号地址。

假如程序需要直接访问符号的绝对地址，那么这个符号将有一个GOT(全局偏移量表)
入口。因为可执行文件和共享文件有独立的GOT(全局偏移量表)，一个符号地址
可能出现在不同的几个表中。在交给进程映象的代码控制权以前，动态连接器处
理所有的重定位的GOT(全局偏移量表)，所以在执行时，确认绝对地址是可用的。

该表的入口0是为保存动态结构地址保留的（参考_DYNAMIC标号）。这允许
象动态连接程序那样来找出他们自己的动态结构（还没有处理他们的重
定向入口）。这些对于动态连接器是重要的，因为它必要初始化自己而不
能依赖于其他程序来重定位他们的内存映象。在32位Interl系统结构中，在
GOT中的人口1和2也是保留的，具体看以下的过程连接表（Procedure Linkage
Table）。

系统可以为在不同的程序中相同的共享object选择不同的内存段；它甚至可以
为相同的程序不同的进程选择不同的库地址。虽然如此，一旦进程映象被建立
以后，内存段不改变地址。只要一个进程存在，它的内存段驻留在固定的虚拟
地址。

GOT表的格式和解释是处理器相关的。在32位Intel体系结构下，标号
_GLOBAL_OFFSET_TABLE_可能被用来访问该表。

+ Figure 2-11: Global Offset Table

  extern Elf32_Addr _GLOBAL_OFFSET_TABLE_[];

标号_GLOBAL_OFFSET_TABLE_可能驻留在.got section的中间，允许负的和非负
的下标索引这个数组。


       Procedure Linkage Table（PLT过程连接表）

就象GOT重定位把位置无关的地址计算成绝对地址一样，PLT过程连接表重定位
位置无关的函数调用到绝对的地址。从一个可执行或者共享的object文件到另外的，
连接编辑器不解析执行的传输（例如函数的调用）。因此，连接编辑器安排程序
的传递控制到PLT中的入口。在SYSTEM V体系下，PLT存在共享文本中，但是它们
使用的地址是在私有的GOT中。符号连接器决定了目标的绝对地址并且修改GOT的
内存映象。因此，在没有危及到位置无关、程序文本的共享能力的情况下。动态
连接器能重定位人口。


+ Figure 2-12: Absolute Procedure Linkage Table {*}
       绝对的过程连接表

  .PLT0:pushl   got_plus_4
        jmp     *got_plus_8
        nop; nop
        nop; nop
  .PLT1:jmp     *name1_in_GOT
        pushl   $offset
        jmp     .PLT0@PC
  .PLT2:jmp     *name2_in_GOT
        pushl   $offset
        jmp     .PLT0@PC
        ...

+ Figure 2-13: Position-Independent Procedure Linkage Table
       位置无关（或者说位置独立）的过程连接表
  .PLT0:pushl   4(%ebx)
        jmp     *8(%ebx)
        nop; nop
        nop; nop
  .PLT1:jmp     *name1@GOT(%ebx)
        pushl   $offset
        jmp     .PLT0@PC
  .PLT2:jmp     *name2@GOT(%ebx)
        pushl   $offset
        jmp     .PLT0@PC
        ...

注意：如图所示，PLT的指令使用了不同的操作数地址方式，对绝对代码和
对位置无关的代码。但是，他们的界面对于动态连接器是相同的。

以下的步骤，动态连接器和程序协作（cooperate）通过PLT和GOT来解析符号
引用。

1. 当第一次创建程序的内存映象时，动态连接器为在GOT中特别的变量设置
   第二次和第三次的入口。下面关于那些变量有更多的解释。

2. 假如PLT是位置无关的，那么GOT的地址一定是保留在%ebx中的。每个在进程
   映象中共享的object文件有它自己的PLT，并且仅仅在同一个object文件中，
   控制传输到PLT入口。从而，要调用的函数有责任在调用PLT入口前，设置PLT
   地址到寄存器中。

3. 举例说明，假如程序调用函数name1,它的传输控制到标号.PLT1.

4. 第一个指令跳到在GOT入口的name1地址。初始话时，GOT保存着紧跟着的push1
   指令的地址，而不是真实的name1的地址。

5. 因此，程序在堆栈中压入(push)一个重定位的偏移量。重定位的偏移量是
   一个32位，非负的字节偏移量（从定位表算起）。指派的重定位入口将是
   一个R_386_JMP_SLOT类型，它的偏移量指明了GOT入口（在前面的jmp指令中
   被使用）。该重定位入口也包含一个符号表的索引，因此告诉动态连接器
   哪个符号要被引用，在这里是name1。

6. 在压入(push)一个重定位的偏移量后，程序跳到.PLT0,在PLT中的第一个入口。
   push1指令在堆栈中放置第二个GOT入口(got_plus_4 or 4(%ebx))的值,
   因此，给动态连接器一个word的鉴别信息。然后程序跳到第三个GOT入口
   (got_plus_8 or 8(%ebx))，它传输控制到动态连接器。

7. 当动态连接器接到控制权，它展开堆栈，查看指派的重定位入口，寻找符号的
   值，在GOT入口中存储真实的name1地址，然后传输控制想要目的地。

8. PLT入口的并发执行将直接传输控制到name1，而不用第二次调用动态连接器
   了。所以，在.PLT1中的jmp指令将转到name1,代替“falling through”
   转到pushl指令。

LD_BIND_NOW环境变量能改变动态连接器的行为。假如这个变量为非空，动态
连接器在传输控制到程序前计算PLT入口。换句话说，动态连接器处理重定位
类型为R_386_JMP_SLOT的入口在进程初始化时。否则，动态连接器计算PLT入口
懒惰的，推迟到符号解析和重定位直到一个表入口的第一次执行。


注意：一般来说，以懒惰（Lazy）方式绑定是对全应用程序执行的改进。
因为不使用的符号就不会招致动态连接器做无用功。然而，对一些应用程序，
两种情况使用懒惰（Lazy）方式是不受欢迎的。

第一 初始的引用一个共享object函数比后来的调用要花的时间长，因为动
     态连接器截取调用来解析符号。一些应用程序是不能容忍这样的。
第二 假如这个错误发生并且动态连接器不能解析该符号，动态连接器将终止
     程序。在懒惰（Lazy）方式下，这可能发生在任意的时候。一再的，一
     些应用程序是不能容忍这样的。通过关掉懒惰（Lazy）方式，在应用程
     序接到控制前，当在处理初始话时发生错误，动态连接器强迫程序，使
     之失败。

      Hash Table(哈希表)

Elf32_Word object的哈希表支持符号表的访问。
标号出现在下面帮助解释哈希表的组织，但是它们不是规范的一部分。

+ Figure 2-14: Symbol Hash Table

  nbucket
  nchain
  bucket[0]
  ...
  bucket[nbucket - 1]
  chain[0]
  ...
  chain[nchain - 1]


bucket数组包含了nbucket入口，并且chain数组包含了nchain个入口;索引从0开始。
bucket和chain保存着符号表的索引。Chain表入口类似于符号表。符号表入口的
数目应该等于nchain；所以符号表的索引也选择chain表的入口。
一个哈希函数(如下的)接受一个符号名并且返回一个可以被计算机使用的bucket索引
的值。因此，假如一个哈希函数返回一些名字的值为X，那么bucket[x%nbucket]
将给出一个索引y（既是符号表和chain表的索引）。假如符号表入口不是期望的，
chain[y]给出下一个符号表的入口（使用相同的哈希变量）。可以沿着chain
链直到选择到了期望名字的符号表入口或者是碰到了STN_UNDEF的入口。

+ Figure 2-15: Hashing Function

  unsigned long
  elf_hash(const unsigned char *name)
  {
      unsigned long       h = 0, g;
 
      while (*name) {
          h = (h << 4) + *name++;
          if (g = h & 0xf0000000)
              h ^= g >> 24;
          h &= ~g;
      }
      return h;
  }


       Initialization and Termination Functions
          初始化和终止函数


在动态连接妻建立进程映象和执行重定位以后，每一个共享object得到适当
的机会来执行一些初始话代码。初始化函数不按特别的顺序被调用，但是
所有的共享object初始化发生在执行程序获得控制之前。

类似地，共享的object可能包含终止函数，它们在进程本身开始它的终止之后
被执行（以atexit(BA_OS)的机制）。

共享object通过设置在动态结构中的DT_INIT和DT_FINI入口来指派它们的初始化
和终止函数，如上动态section（Dynamic Section）部分描述。典型的，那些函数
代码存在.init和.fini section中，第一部分的“section”已经提到过。

注意：尽管atexit(BA_OS)的终止处理一般可可正常完成，但是不保证在死进程上
被执行。特别的，假如_exit被调用（看exit(BA_OS)）或者假如进程死掉，那么
进程是不执行终止处理的。因为它收到一个信号，该信号可捕获或忽略。