重学计算机组成原理（九）- 动态链接

把对应的不同文件内的代码段，合并到一起，成为最后的可执行文件

链接的方式，让我们在写代码的时候做到了“复用”。
同样的功能代码只要写一次，然后提供给很多不同的程序进行链接就行了。

“链接”其实有点儿像我们日常生活中的标准化、模块化生产。
有一个可以生产标准螺帽的生产线，就可生产很多不同的螺帽。
只要需要螺帽，都可以通过链接的方式，去复制一个出来，放到需要的地方

但是，如果我们有很多个程序都要通过装载器装载到内存里面，那里面链接好的同样的功能代码，也都需要再装载一遍，再占一遍内存空间。
这就好比，假设每个人都有骑自行车的需要，那我们给每个人都生产一辆自行车带在身边，固然大家都有自行车用了，但是马路上肯定会特别拥挤。

1 链接可以分动、静，共享运行省内存

我们上一节解决程序装载到内存的时候，讲了很多方法。说起来，最根本的问题其实就是内存空间不够用。
如果能够让同样功能的代码，在不同的程序里面，不需要各占一份内存空间，那该有多好啊！
就好比，现在马路上的共享单车，我们并不需要给每个人都造一辆自行车，只要马路上有这些单车，谁需要的时候，直接通过手机扫码，都可以解锁骑行。

这个思路就引入一种新的链接方法，叫作动态链接（Dynamic Link）
相应的，我们之前说的合并代码段的方法，就是静态链接（Static Link）

在动态链接的过程中，我们想要“链接”的，不是存储在硬盘上的目标文件代码，而是加载到内存中的共享库（Shared Libraries）

这个加载到内存中的共享库会被很多个程序的指令调用到。

• 在Windows下，这些共享库文件就是.dll文件，也就是Dynamic-Link Libary（DLL，动态链接库）
  用了“动态链接”的意思
• 在Linux下，这些共享库文件就是.so文件，也就是Shared Object（一般我们也称之为动态链接库）。
  用了“共享”的意思

正好覆盖了两方面的含义。

2 地址无关很重要，相对地址解烦恼

要在程序运行的时候共享代码，这些机器码必须“地址无关”
也就是说，我们编译出来的共享库文件的指令代码，是地址无关码（Position-Independent Code）
换句话说就是，这段代码，无论加载在哪个内存地址，都能够正常执行

如果还不明白，我给你举一个生活中的例子
如果我们有一个骑自行车的程序，要“前进500米，左转进入天安门广场，再前进500米”。
它在500米之后要到天安门广场了，这就是地址相关的。
如果程序是“前进500米，左转，再前进500米”，无论你在哪里都可以骑车走这1000米，没有具体地点的限制，这就是地址无关的。

大部分函数库其实都可以做到地址无关，因为它们都接受特定的输入，进行确定的操作，然后给出返回结果就好了。
无论是实现一个向量加法，还是实现一个打印的函数，这些代码逻辑和输入的数据在内存里面的位置并不重要。

而常见的地址相关的代码，比如绝对地址代码（Absolute Code）、利用重定位表的代码等等，都是地址相关的代码
回想一下我们之前讲过的重定位表。在程序链接的时候，我们就把函数调用后要跳转访问的地址确定下来了，这意味着，如果这个函数加载到一个不同的内存地址，跳转就会失败。
对于所有动态链接共享库的程序来讲，虽然我们的共享库用的都是同一段物理内存地址，但是在不同的应用程序里，它所在的虚拟内存地址是不同的。
没办法、也不应该要求动态链接同一个共享库的不同程序，必须把这个共享库所使用的虚拟内存地址变成一致。
如果这样的话，我们写的程序就必须明确地知道内部的内存地址分配。

那么问题来了，我们要怎么样才能做到，动态共享库编译出来的代码指令，都是地址无关码呢？

动态代码库内部的变量和函数调用都很容易解决，我们只需要使用相对地址（Relative Address）
各种指令中使用到的内存地址，给出的不是一个绝对的地址空间，而是一个相对于当前指令偏移量的内存地址
因为 整个共享库是放在一段连续的虚拟内存地址中的，无论装载到哪一段地址，不同指令之间的相对地址都是不变的。

3 动态链接的解决方案

PLT和GOT

要实现动态链接共享库，也并不困难，和前面的静态链接里的符号表和重定向表类似

拿出一小段代码来看一看。

• lib.h
  定义了动态链接库的一个函数 show_me_the_money
  

• lib.c
  包含了lib.h的实际实现
  

• show_me_poor.c
  调用了 lib 里面的函数
  

• 把 lib.c 编译成了一个动态链接库，也就是 .so 文件
  

• 最终生成文件集
  

在编译的过程中，指定了一个 -fPIC 的参数
其实就是Position Independent Code意，也就是要把这个编译成一个地址无关代码

然后，我们再通过gcc编译 show_me_poor 动态链接了 lib.so 的可执行文件

• 在这些操作都完成了之后，我们把 show_me_poor 这个文件通过objdump出来看一下。

0000000000400540 :
  400540:       ff 35 12 05 20 00       push   QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a58 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
  400546:       ff 25 14 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200514]        # 600a60 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
  40054c:       0f 1f 40 00             nop    DWORD PTR [rax+0x0]

0000000000400550 :
  400550:       ff 25 12 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a68 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>
  400556:       68 00 00 00 00          push   0x0
  40055b:       e9 e0 ff ff ff          jmp    400540 <_init+0x28>
……
0000000000400676 
:
  400676:       55                      push   rbp
  400677:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  40067a:       48 83 ec 10             sub    rsp,0x10
  40067e:       c7 45 fc 05 00 00 00    mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5
  400685:       8b 45 fc                mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  400688:       89 c7                   mov    edi,eax
  40068a:       e8 c1 fe ff ff          call   400550 
  40068f:       c9                      leave  
  400690:       c3                      ret    
  400691:       66 2e 0f 1f 84 00 00    nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
  400698:       00 00 00 
  40069b:       0f 1f 44 00 00          nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]

我们还是只关心整个可执行文件中的一小部分内容

• 在main函数调用show_me_the_money的函数的时候，对应的代码是这样的：
  

这里后面有一个@plt的关键字，代表了我们需要从PLT，也就是程序链接表（Procedure Link Table）里面找要调用的函数。对应的地址呢，则是400580这个地址。

那当我们把目光挪到上面的 400580 这个地址，你又会看到里面进行了一次跳转，

• 这个跳转指定的跳转地址，你可以在后面的注释里面可以看到:
  这里的 GLOBAL_OFFSET_TABLE，就是我接下来要说的全局偏移表。

在动态链接对应的共享库，我们在共享库的data section里面，保存了一张全局偏移表（GOT，Global Offset Table）
虽然共享库的代码部分的物理内存是共享的，但是数据部分是各个动态链接它的应用程序里面各加载一份的。
所有需要引用当前共享库外部的地址的指令，都会查询GOT，来找到当前运行程序的虚拟内存里的对应位置
而GOT表里的数据，则是在我们加载一个个共享库的时候写进去的。

不同的进程，调用同样的 lib.so，各自GOT里面指向最终加载的动态链接库里面的虚拟内存地址是不同的。

这样，虽然不同的程序调用的同样的动态库，各自的内存地址是独立的，调用的又都是同一个动态库，但是不需要去修改动态库里面的代码所使用的地址，
而是各个程序各自维护好自己的GOT，能够找到对应的动态库就好了

GOT表位于共享库自己的数据段里
GOT表在内存里和对应的代码段位置之间的偏移量，始终是确定的
这样，共享库就是地址无关的代码，对应的各个程序只需在物理内存里加载同一份代码
而我们又要通过各个可执行程序在加载时，生成的各不相同的GOT表，找到它需要调用到的外部变量和函数的地址

这是一个典型的、不修改代码，而是通过修改“地址数据”来进行关联的办法

它有点像我们在C语言里面用函数指针来调用对应的函数，并不是通过预先已经确定好的函数名称来调用，而是利用当时它在内存里面的动态地址来调用。

4 总结

终于在静态链接和程序装载后，利用动态链接把我们的内存利用到了极致
同样功能的代码生成的共享库，我们只要在内存里面保留一份就好了
这样

• 不仅能够做到代码在开发阶段的复用
• 也能做到代码在运行阶段的复用。

实际上，在进行Linux程序开发，一直会用到各种各样的动态链接库。
C语言的标准库就在1MB以上。
撰写任何一个程序可能都需要用到这个库，常见的Linux服务器里，/usr/bin下面就有上千个可执行文件。
如果每一个都把标准库静态链接进来的，几GB乃至几十GB的磁盘空间一下子就用出去了。如果我们服务端的多进程应用要开上千个进程，几GB的内存空间也会一下子就用出去了。这个问题在过去计算机的内存较少的时候更加显著。

通过动态链接这个方式，可以说彻底解决了这个问题。
就像共享单车一样，如果仔细经营，是一个很有社会价值的事情，但是如果粗暴地把它变成无限制地复制生产，给每个人造一辆，只会在系统内制造大量无用的垃圾。

已经把程序怎么从源代码变成指令、数据，并装载到内存里面，由CPU一条条执行下去的过程讲完了。希望你能有所收获，对于一个程序是怎么跑起来的，有了一个初步的认识。

5 推荐阅读

想要更加深入地了解动态链接，推荐你可以读一读《程序员的自我修养：链接、装载和库》的第7章

里面深入地讲解了，动态链接里程序内的数据布局和对应数据的加载关系。

参考

• 深入浅出计算机组成原理