【深入浅出计算机组成】 PLT 和 GOT，动态链接的解决方案
前言：本篇为笔者学习极客时间《深入浅出计算机组成》过程中的部分疑问和解疑记录，因为这一块问题笔者学习过程中搜索所得答案较少，故留此博客。
文章目录
- 1. 编译、链接和加载
- 2. 链接可以分动、静，共享运行省内存
- 3. 动态链接如何做到地址无关？
- 4. PLT 和 GOT，动态链接的解决方案
- 5. GOT 到底保存在共享库里面还是各个程序里？
- 6. 总结
1. 编译、链接和加载
我们知道，“C 语言代码 - 汇编代码 - 机器码” 这个过程，在我们的计算机上进行的时候是由两部分组成的。
第一个部分由编译（Compile）、汇编（Assemble）以及链接（Link）三个阶段组成。在这三个阶段完成之后，我们就生成了一个可执行文件。
第二部分，我们通过装载器（Loader）把可执行文件加载（Load）到内存中。CPU 从内存中读取指令和数据，来开始真正执行程序。
其中程序的链接，是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。这个链接的方式，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。
在静态链接中：
链接器会扫描所有输入的目标文件，然后把所有符号表里的信息收集起来，构成一个全局的符号表。然后再根据重定位表，把所有不确定要跳转地址的代码，根据符号表里面存储的地址，进行一次修正。最后，把所有的目标文件的对应段进行一次合并，变成了最终的可执行代码。这也是为什么，可执行文件里面的函数调用的地址都是正确的。
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。
2. 链接可以分动、静，共享运行省内存
如果我们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！
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）。顾名思义，这里的共享库重在“共享“这两个字。
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）。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）。
3. 动态链接如何做到地址无关？
不过，要想要在程序运行的时候共享代码，也有一定的要求，就是这些机器码必须是“地址无关”的。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。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。如果不是这样的代码，就是地址相关的代码。
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。
你可以想想，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。你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。
那么怎么样才能做到，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，只需要使用相对地址就好了。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。
4. PLT 和 GOT，动态链接的解决方案
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，还是和前面一样，我们还是拿出一小段代码来看一看。
首先，lib.h 定义了动态链接库的一个函数 show_me_the_money。
// lib.h
#ifndef LIB_H
#define LIB_H
void show_me_the_money(int money);
#endif
lib.c 包含了 lib.h 的实际实现。
// lib.c
#include
void show_me_the_money(int money)
{
printf("Show me USD %d from lib.c \n", money);
}
然后，show_me_poor.c 调用了 lib 里面的函数。
// show_me_poor.c
#include "lib.h"
int main()
{
int money = 5;
show_me_the_money(money);
}
最后，我们把 lib.c 编译成了一个动态链接库，也就是 .so 文件。
$ gcc lib.c -fPIC -shared -o lib.so
$ gcc -o show_me_poor show_me_poor.c ./lib.so
你可以看到，在编译的过程中，我们指定了一个 -fPIC 的参数。这个参数其实就是 Position Independent Code 的意思，也就是我们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。
(重点来了，仔细看分析！！！)
$ objdump -d -M intel -S show_me_poor
……
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。你应该可以看到，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：
call 400550
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 400550 这个地址。
那当我们把目光挪到上面的 400550 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，GLOBAL_OFFSET_TABLE+0x18。这里的 GLOBAL_OFFSET_TABLE，就是我接下来要说的全局偏移表。
400550: ff 25 12 05 20 00 jmp QWORD PTR [rip+0x200512] # 600a68 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>
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 (注意GOT是每个程序都维护一张)，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。这样我们的共享库就是地址无关的代码；
- 对应的各个程序只需要在物理内存里面加载同一份代码。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，来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。
前面由一个简单的例子说明动态链接需要考虑的各种因素，但实际总结起来说两点：参考blog：PLT和GOT补充博客
- 需要存放外部函数的数据段
- 获取数据段存放函数地址的一小段额外代码
如果可执行文件中调用多个动态库函数，那每个函数都需要这两样东西，这样每样东西就形成一个表，每个函数使用中的一项。
总不能每次都叫这个表那个表，于是得正名。存放函数地址的数据表，称为全局偏移表（GOT, Global Offset Table），而那个额外代码段表，称为程序链接表（PLT，Procedure Link Table）。它们两姐妹各司其职，联合出手上演这一出运行时重定位好戏。
5. GOT 到底保存在共享库里面还是各个程序里？
文中提到各个程序各自维护好自己的 GOT ，但又提到GOT 表位于共享库自己的数据段里，所以到底在哪？
在程序里，GOT，PLT是每个可执行文件都会有的， 调用某个共享库的函数时，got用来存储经计算后的函数地址，plt存的是另外的指令，意思就是:got表里没有该函数地址就发起地址计算，并存好，如果有了，就直接操纵指令跳转。
我整理一下：
- GOT 表位于共享库自己的数据段里。且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；
- 而每个程序运行的时候如果调用共享库，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。
- 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。
重点就是：
GOT表是位于共享库自己的数据段里，每个程序运行的时候如果调用共享库，共享库的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，GOT 表里的数据，则是在这个加载的时候写进去的。
追问：1.动态库有没有自己的GOT表？
有啊，动态库他自己也是程序，他有可能再去调用其他动态库，当然也有自己的GOT表。
追问：2.一般没有使用共享库的代码或者函数，他的地址是什么地址？
绝对地址 或者说虚拟地址
追问：3.linux下逻辑地址和虚拟地址是不是一回事，物理地址和他们有什么关系
逻辑地址跟虚拟地址是一回事，虚拟地址分段之后是线性地址，线性地址经过分页转为物理地址（这里虚拟地址和物理地址还有一个页表来映射）
追问：4.加载器在将程序搬入内存，起了一个什么作用
加载器在内存里面，找到一段连续的内存空间，然后分配给装载的程序，然后把这段连续的内存空间地址，和整个程序指令里指定的内存地址做一个映射。
6. 总结
所以描述一个函数的位置，无非两种方式，一种是采用绝对的描述方式，一种是采用相对的。相对地址的寻址方式，就是位置无关，因为他取得是偏移量。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。
当加载器加载，如果是绝对地址就直接加载，如果是这种相对地址，加载完成之后，加载器要修改你的就是把你的那个相对地址啊，把相对地址改成线性地址，这样CPU再以读取线性地址的方式直接去访问虚拟地址，然后再经过页表直接给你一个物理地址完了。
在静态链接和程序装载之后，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(静态链接），也能做到代码在运行阶段的复用（动态链接）。