i386 Linux下 ELF 动态链接分析 （一）

i386 Linux下 ELF 动态链接分析 （一）

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Ian Lance Taylor正在写连载文章介绍linkers。
一直想了解dynamic linking的过程，于是正好就学习了一下。
program loader、program linker和dynamic linker的具体工作过程暂不在讨论范围。

首先，随便写个小程序然后用objdump看一下：

$ objdump -d main.o
00000000

:
0: 8d 4c 24 04 lea 0×4(%esp),%ecx
4: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp
7: ff 71 fc pushl 0xfffffffc(%ecx)
a: 55 push %ebp
b: 89 e5 mov %esp,%ebp
d: 51 push %ecx
e: 83 ec 14 sub $0×14,%esp
11: e8 fc ff ff ff call 12
16: 89 04 24 mov %eax,(%esp)
19: e8 fc ff ff ff call 1a
1e: e8 fc ff ff ff call 1f
23: 89 44 24 04 mov %eax,0×4(%esp)
27: c7 04 24 00 00 00 00 movl $0×0,(%esp)
2e: e8 fc ff ff ff call 2f
33: 83 c4 14 add $0×14,%esp
36: 59 pop %ecx
37: 5d pop %ebp
38: 8d 61 fc lea 0xfffffffc(%ecx),%esp
3b: c3 ret

我们看到main call了一些函数，但地址都是12，1a这样的数字。这些数字表示的是本.text section中的offset，需要被linker patch。这些relocations信息可以用readelf -r查看：

$ readelf -r main.o

Relocation section ‘.rel.text’ at offset 0×388 contains 5 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
00000012 00000902 R_386_PC32 00000000 foo
0000001a 00000a02 R_386_PC32 00000000 printf
0000001f 00000b02 R_386_PC32 00000000 bar
0000002a 00000501 R_386_32 00000000 .rodata
0000002f 00000a02 R_386_PC32 00000000 printf

这些函数地址在link时会被patch成真正的地址（静态联入），或者在plt中的地址（动态联入）。我们readelf -r a.out还能看到打印出如下信息，这些信息我们在后面还会看到有所呼应：

$ readelf -r a.out

Relocation section ‘.rel.dyn’ at offset 0×34c contains 1 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
08049744 00000206 R_386_GLOB_DAT 00000000 __gmon_start__

Relocation section ‘.rel.plt’ at offset 0×354 contains 5 entries:
Offset Info Type Sym.Value Sym. Name
08049754 00000107 R_386_JUMP_SLOT 00000000 bar
08049758 00000207 R_386_JUMP_SLOT 00000000 __gmon_start__
0804975c 00000407 R_386_JUMP_SLOT 00000000 __libc_start_main
08049760 00000507 R_386_JUMP_SLOT 00000000 foo
08049764 00000607 R_386_JUMP_SLOT 00000000 printf

以动态连接方式产生的可执行文件会在.interp这个section中写入dynamic loader的路径。例如：

wh5a@power3 /tmp/dyn $ readelf -S a.out|grep interp
[ 1] .interp PROGBITS 08048134 000134 000013 00 A 0 0 1
wh5a@power3 /tmp/dyn $ gdb -q a.out
(gdb) x/s 0×8048134
0×8048134: “/lib/ld-linux.so.2″

这样的话在程序被载入时，dynamic loader将会被调用以便装入程序依赖的动态库。

下面来看foo函数是如何被调用的：
0×080484e5 : call 0×80483d4
我们前面提到从main中call的函数地址都需要被patch，这个过程被static linker做了第一步，使得call指令指向plt中。第二步的patch缺省时将会在动态时按需进行，也就是lazy symbol binding。这一行为可以通过环境变量LD_BIND_NOW=1进行修改，这样在debugging时会有些帮助。plt的基地址可以使用readelf -S看出来，got也是很重要的信息，在此一并列出：

[11] .plt PROGBITS 08048394 000394 000060 04 AX 0 0 4
[21] .got PROGBITS 08049744 000744 000004 04 WA 0 0 4
[22] .got.plt PROGBITS 08049748 000748 000020 04 WA 0 0 4

plt每个entry是16 bytes，got每个entry是4 bytes。

PLT0的信息比较特殊（这里把具体的地址列出以便理解）：

push GOT[1] ; 0×804974c
jmp GOT[2] ; *0×8049750
0×00000000 ; padding

这之后的plt表项对应于每个动态函数。它们的顺序与readelf -r列出的顺序相同。我们知道foo是第4个函数，也就是PLT[4]，通过计算地址知道是0×80483d4，确实就是main函数call它的地址。
其中内容为：

PLT4:
080483d4 :
80483d4: ff 25 60 97 04 08 jmp *0×8049760 ; GOT[6]
80483da: 68 18 00 00 00 push $0×18 ; foo’s relocation offset
80483df: e9 b0 ff ff ff jmp 8048394 ; PLT0

PLT entry的第一条指令跳转到GOT中，也就是说GOT起到了又一层indirection的作用。GOT的每个表项被初始化为指向到PLT entry的第二条指令。
这里PLT4对应于GOT6（还记得readelf -r显示的信息么？找到0×8049760了吗？）是因为GOT[0..2]都有特殊的作用（GOT[0]似乎指向.dynamic section，存放的是给dynamic loader有用的一些信息 [5]）。那么这个GOT的基址又是怎么来的呢？它对应于.got.plt这个section。.got section存放的应该是global variables，还有待继续研究。

初始状态下，foo尚未resolve，所以GOT尚未被dynamic linker patch。这样一来，GOT6使得0×80483da这条指令被执行。这条指令的作用是将foo所对应的offset压栈。接下来跳到PLT0继续执行。
PLT0首先将GOT1中的内容（指向一个link_map结构）压栈，然后跳到GOT2继续执行。GOT[2]指向_dl_runtime_resolve函数。这个函数是由dynamic linker提供的，通过查看proc文件系统的maps文件也可以看出GOT[2]确实指向的是/lib/ld-2.6.so的地址空间。这个函数是很简单的一段汇编，用来建立必要的堆栈环境以便让_dl_fixup（源码在glibc/elf/dl-runtime.c）来完成真正的工作。前面我们压入了两个参数，一个是GOT[1]的内容，也就是一个link_map的地址，另一个是待解决symbol的offset，在这里是0×18。这之后的详细工作过程参见源码及[2]。这个函数最终将会patch GOT[6]，使得下次PLT4（也就是foo）再次被调用时可以直接取到foo的真正地址。接下来，_dl_fixup返回foo的真正地址给_dl_runtime_resolve，它将返回值放到栈顶，xchg %eax,(%esp)，然后直接一个ret就跳到了foo了。

最后再总结一下.got.plt的作用：

.got.plt (0×8049748)
0×0804966c GOT[0], .dynamic
0×00ba3650 GOT[1], the link map
0×00b9a2b0 GOT[2], always jump here to resolve symbols. /lib/ld-linux.so.2 is loaded here.
…
0×080483da GOT[6], not resolved yet, so points right back to the instruction after the jmp

References：
[1] Linkers part 4
[2]
[3]
[4]
[5]
[6] Before main() 分析