深刻浅出计算机组成原理学习笔记：第十讲

时间 2019-11-06

标签深刻计算机组成原理学习笔记第十繁體版

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1、为何须要动态连接库

一、连接在生活中的应用

连接其实有点像咱们平常生活中的标准化、模块化生产、咱们有一个能够生产标准螺帽的生产线，就能够生产不少个不一样的螺帽，
只有须要螺帽，咱们就能够经过连接的方式、去复制一个出来，放到须要的点，大道汽车、小到信箱sass

二、静态连接的缺点

可是、如咱们有不少个程序都要经过装载器装载到内存的里面，那里面连接好的一样的功能代码，也须要再装载一遍、再占一遍内存空间。服务器

这就比如，假设每一个人有骑自行车的需求，那咱们给每一个人生产一辆自行车带在身边，当然你们都有自行车用，可是马路上确定会特别拥挤模块化

2、连接能够分动、静、共享运行升内存

一、内存不够用

二、连接过程

三、图解动态连接过程

3、地址无关很重要，相对地址解烦恼

一、地址无关

二、地址相关

三、动态共享库没法作到地址无关

4、PLT 和 GOT，动态连接的解决方案

一、示例代码

一、首先lib.h定义了动态连接库的一个函数show_me_the_money函数

[root@luoahong 10]# cat lib.h
#ifndef LIB_H
#define LIB_H

void show_me_the_money(int money);

#endif

二、lib.c包含了lib.h的实际实现spa

[root@luoahong 10]# cat lib.c
#include <stdio.h>


void show_me_the_money(int money)
{
    printf("Show me USD %d from lib.c \n", money);
}

三、而后show_me_poor.c调用了lib里面的函数3d

[root@luoahong 10]# cat show_me_poor.c
#include "lib.h"
int main()
{
    int money = 5;
    show_me_the_money(money);
}

四、最后，咱们把lib.c变异成一个动态连接库，也就是.so文件指针

[root@luoahong 10]# gcc lib.c -fPIC -shared -o lib.so
[root@luoahong 10]# gcc -o show_me_poor show_me_poor.c ./lib.so

你能够看到，在编译的过程当中，咱们制定了一个-fPIC的参数。这个参数其实就是Position Independent Code 的意思，也就是咱们要把这个编译成一个地址无关代码。orm

而后。咱们再经过gcc编译show_me_poor动态连接了lib.so的可执行文件，在这些操做走完成了以后，咱们把show_me_poor这个文件经过objdump出来看一下blog

……
0000000000400540 <show_me_the_money@plt-0x10>:
  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 <show_me_the_money@plt>:
  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 <main>:
  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 <show_me_the_money@plt>
  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]
……

完整代码进程

[root@luoahong 10]# objdump -d -M intel -S show_me_poor

show_me_poor:     file format elf64-x86-64


Disassembly of section .init:

00000000004004a0 <_init>:
  4004a0:	48 83 ec 08          	sub    rsp,0x8
  4004a4:	48 8b 05 4d 0b 20 00 	mov    rax,QWORD PTR [rip+0x200b4d]        # 600ff8 <__gmon_start__>
  4004ab:	48 85 c0             	test   rax,rax
  4004ae:	74 05                	je     4004b5 <_init+0x15>
  4004b0:	e8 3b 00 00 00       	call   4004f0 <.plt.got>
  4004b5:	48 83 c4 08          	add    rsp,0x8
  4004b9:	c3                   	ret

Disassembly of section .plt:

00000000004004c0 <.plt>:
  4004c0:	ff 35 42 0b 20 00    	push   QWORD PTR [rip+0x200b42]        # 601008 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
  4004c6:	ff 25 44 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b44]        # 601010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
  4004cc:	0f 1f 40 00          	nop    DWORD PTR [rax+0x0]

00000000004004d0 <show_me_the_money@plt>:
  4004d0:	ff 25 42 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b42]        # 601018 <show_me_the_money>
  4004d6:	68 00 00 00 00       	push   0x0
  4004db:	e9 e0 ff ff ff       	jmp    4004c0 <.plt>

00000000004004e0 <__libc_start_main@plt>:
  4004e0:	ff 25 3a 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b3a]        # 601020 <__libc_start_main@GLIBC_2.2.5>
  4004e6:	68 01 00 00 00       	push   0x1
  4004eb:	e9 d0 ff ff ff       	jmp    4004c0 <.plt>

Disassembly of section .plt.got:

00000000004004f0 <.plt.got>:
  4004f0:	ff 25 02 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b02]        # 600ff8 <__gmon_start__>
  4004f6:	66 90                	xchg   ax,ax

Disassembly of section .text:

0000000000400500 <_start>:
  400500:	31 ed                	xor    ebp,ebp
  400502:	49 89 d1             	mov    r9,rdx
  400505:	5e                   	pop    rsi
  400506:	48 89 e2             	mov    rdx,rsp
  400509:	48 83 e4 f0          	and    rsp,0xfffffffffffffff0
  40050d:	50                   	push   rax
  40050e:	54                   	push   rsp
  40050f:	49 c7 c0 80 06 40 00 	mov    r8,0x400680
  400516:	48 c7 c1 10 06 40 00 	mov    rcx,0x400610
  40051d:	48 c7 c7 ed 05 40 00 	mov    rdi,0x4005ed
  400524:	e8 b7 ff ff ff       	call   4004e0 <__libc_start_main@plt>
  400529:	f4                   	hlt
  40052a:	66 0f 1f 44 00 00    	nop    WORD PTR [rax+rax*1+0x0]

0000000000400530 <deregister_tm_clones>:
  400530:	b8 37 10 60 00       	mov    eax,0x601037
  400535:	55                   	push   rbp
  400536:	48 2d 30 10 60 00    	sub    rax,0x601030
  40053c:	48 83 f8 0e          	cmp    rax,0xe
  400540:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  400543:	77 02                	ja     400547 <deregister_tm_clones+0x17>
  400545:	5d                   	pop    rbp
  400546:	c3                   	ret
  400547:	b8 00 00 00 00       	mov    eax,0x0
  40054c:	48 85 c0             	test   rax,rax
  40054f:	74 f4                	je     400545 <deregister_tm_clones+0x15>
  400551:	5d                   	pop    rbp
  400552:	bf 30 10 60 00       	mov    edi,0x601030
  400557:	ff e0                	jmp    rax
  400559:	0f 1f 80 00 00 00 00 	nop    DWORD PTR [rax+0x0]

0000000000400560 <register_tm_clones>:
  400560:	b8 30 10 60 00       	mov    eax,0x601030
  400565:	55                   	push   rbp
  400566:	48 2d 30 10 60 00    	sub    rax,0x601030
  40056c:	48 c1 f8 03          	sar    rax,0x3
  400570:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  400573:	48 89 c2             	mov    rdx,rax
  400576:	48 c1 ea 3f          	shr    rdx,0x3f
  40057a:	48 01 d0             	add    rax,rdx
  40057d:	48 d1 f8             	sar    rax,1
  400580:	75 02                	jne    400584 <register_tm_clones+0x24>
  400582:	5d                   	pop    rbp
  400583:	c3                   	ret
  400584:	ba 00 00 00 00       	mov    edx,0x0
  400589:	48 85 d2             	test   rdx,rdx
  40058c:	74 f4                	je     400582 <register_tm_clones+0x22>
  40058e:	5d                   	pop    rbp
  40058f:	48 89 c6             	mov    rsi,rax
  400592:	bf 30 10 60 00       	mov    edi,0x601030
  400597:	ff e2                	jmp    rdx
  400599:	0f 1f 80 00 00 00 00 	nop    DWORD PTR [rax+0x0]

00000000004005a0 <__do_global_dtors_aux>:
  4005a0:	80 3d 85 0a 20 00 00 	cmp    BYTE PTR [rip+0x200a85],0x0        # 60102c <_edata>
  4005a7:	75 11                	jne    4005ba <__do_global_dtors_aux+0x1a>
  4005a9:	55                   	push   rbp
  4005aa:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  4005ad:	e8 7e ff ff ff       	call   400530 <deregister_tm_clones>
  4005b2:	5d                   	pop    rbp
  4005b3:	c6 05 72 0a 20 00 01 	mov    BYTE PTR [rip+0x200a72],0x1        # 60102c <_edata>
  4005ba:	f3 c3                	repz ret
  4005bc:	0f 1f 40 00          	nop    DWORD PTR [rax+0x0]

00000000004005c0 <frame_dummy>:
  4005c0:	48 83 3d 48 08 20 00 	cmp    QWORD PTR [rip+0x200848],0x0        # 600e10 <__JCR_END__>
  4005c7:	00
  4005c8:	74 1e                	je     4005e8 <frame_dummy+0x28>
  4005ca:	b8 00 00 00 00       	mov    eax,0x0
  4005cf:	48 85 c0             	test   rax,rax
  4005d2:	74 14                	je     4005e8 <frame_dummy+0x28>
  4005d4:	55                   	push   rbp
  4005d5:	bf 10 0e 60 00       	mov    edi,0x600e10
  4005da:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  4005dd:	ff d0                	call   rax
  4005df:	5d                   	pop    rbp
  4005e0:	e9 7b ff ff ff       	jmp    400560 <register_tm_clones>
  4005e5:	0f 1f 00             	nop    DWORD PTR [rax]
  4005e8:	e9 73 ff ff ff       	jmp    400560 <register_tm_clones>

00000000004005ed <main>:
  4005ed:	55                   	push   rbp
  4005ee:	48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  4005f1:	48 83 ec 10          	sub    rsp,0x10
  4005f5:	c7 45 fc 05 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5
  4005fc:	8b 45 fc             	mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  4005ff:	89 c7                	mov    edi,eax
  400601:	e8 ca fe ff ff       	call   4004d0 <show_me_the_money@plt>
  400606:	c9                   	leave
  400607:	c3                   	ret
  400608:	0f 1f 84 00 00 00 00 	nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  40060f:	00

0000000000400610 <__libc_csu_init>:
  400610:	41 57                	push   r15
  400612:	41 89 ff             	mov    r15d,edi
  400615:	41 56                	push   r14
  400617:	49 89 f6             	mov    r14,rsi
  40061a:	41 55                	push   r13
  40061c:	49 89 d5             	mov    r13,rdx
  40061f:	41 54                	push   r12
  400621:	4c 8d 25 d8 07 20 00 	lea    r12,[rip+0x2007d8]        # 600e00 <__frame_dummy_init_array_entry>
  400628:	55                   	push   rbp
  400629:	48 8d 2d d8 07 20 00 	lea    rbp,[rip+0x2007d8]        # 600e08 <__init_array_end>
  400630:	53                   	push   rbx
  400631:	4c 29 e5             	sub    rbp,r12
  400634:	31 db                	xor    ebx,ebx
  400636:	48 c1 fd 03          	sar    rbp,0x3
  40063a:	48 83 ec 08          	sub    rsp,0x8
  40063e:	e8 5d fe ff ff       	call   4004a0 <_init>
  400643:	48 85 ed             	test   rbp,rbp
  400646:	74 1e                	je     400666 <__libc_csu_init+0x56>
  400648:	0f 1f 84 00 00 00 00 	nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  40064f:	00
  400650:	4c 89 ea             	mov    rdx,r13
  400653:	4c 89 f6             	mov    rsi,r14
  400656:	44 89 ff             	mov    edi,r15d
  400659:	41 ff 14 dc          	call   QWORD PTR [r12+rbx*8]
  40065d:	48 83 c3 01          	add    rbx,0x1
  400661:	48 39 eb             	cmp    rbx,rbp
  400664:	75 ea                	jne    400650 <__libc_csu_init+0x40>
  400666:	48 83 c4 08          	add    rsp,0x8
  40066a:	5b                   	pop    rbx
  40066b:	5d                   	pop    rbp
  40066c:	41 5c                	pop    r12
  40066e:	41 5d                	pop    r13
  400670:	41 5e                	pop    r14
  400672:	41 5f                	pop    r15
  400674:	c3                   	ret
  400675:	90                   	nop
  400676:	66 2e 0f 1f 84 00 00 	nop    WORD PTR cs:[rax+rax*1+0x0]
  40067d:	00 00 00

0000000000400680 <__libc_csu_fini>:
  400680:	f3 c3                	repz ret

Disassembly of section .fini:

0000000000400684 <_fini>:
  400684:	48 83 ec 08          	sub    rsp,0x8
  400688:	48 83 c4 08          	add    rsp,0x8
  40068c:	c3                   	ret

咱们只关心整个可执行文件中的一部份内容。你应该能够看到，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 <show_me_the_money@plt>

这里后面一个@plt的关键字，表明了咱们须要从PLT，也就是程序连接表里面找要挑用的函数，对应的地址则是400550这个地址

那么当咱们把目录挪到上面的400550这个地址，你会看到里面进行了一次跳转，这个跳转指定国的跳转地址，你能够在后面的注释里能够看到

GLOBAL_OFFSET_TABLE+0x18。这里的GLOBAL_OFFSET_TABLE，就是咱们接下来的要说的全局偏移表

  400550:       ff 25 12 05 20 00       jmp    QWORD PTR [rip+0x200512]        # 600a68 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>

5、GOT全局偏移表

在动态连接对应的共享库，咱们在共享库的data section里面，保存了一张全局偏移表，虽然数据部分是各个动态连接它的应用程序里面各加载一份的。全部须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，则是在咱们加载一个个共享库的时候写进去的

不一样的进程，调用一样的lib.so各自里面指向最终加载的动态连接库里面的虚拟内存地址是不一样的

这样，虽然不一样的程序调用的一样的动态库，各自的内存地址是独立的，挑用的有都是同一个动态库，可是不须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本身的GOT，可以找到对应的动态库就行了

一、GOT表位于共享库本身的数据段里，GOT表在内存里和对应的代码位置之间的偏移量，始终是肯定的，这样咱们的共享库是地址无关的代码，

二、对应的各个程序只须要在物理内存里面加载同一份代码，而咱们又要经过这个能够执行程序在加载时，生成的各个不相同的GOT表，来找到它须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、而是经过修改“地址数据“来进行关联的办法，它有点像咱们在C语言里面用函数指针调用对应的函数，并非经过预先已经肯定好的函数名称

来调用，而是利用当时它在内存里面的动态地址来调用

6、总结延伸

这一讲、咱们终于在静态连接和程序装载以后，利用动态连接把咱们的内存利用到了极致。一样功能的代码生成共享库，咱们只要在内存里面保留一份就行了，

这样咱们不只可以作到代码在开发阶段的复用，也能作到代码在运行阶段的复用

实际上、在进行Linux下的程序开发的时候，咱们一直会用到各类各样的动态连接库，C语言的标准库在1MB以上。咱们撰写任何一个程序可能都须要用到这个库，

常见的Linux服务器里，/usr/bin下面就有成千上外个可执行文件。若是每个都把标准库静态连接进来的，几GB乃至几十GB的磁盘空间一会儿就用出去了。

若是咱们服务端的多进程应用要开上千个进程，几GB的内存空间也会一会儿就用甩出去了，这个问题在过去计算机的内存较少的时候更佳显著

经过动态连接这个方式，能够说完全解决这个问题，就像共享单车同样，若是仔细经营，是一个颇有社会价值的事情，可是若是粗暴地把它变成无限制地

复制生产，每一个人造一辆，只会在系统内知道大量无用的垃圾

过去05-09折五讲理，咱们已经把程序怎么从源码变成指令、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，但愿你有所收获，对于一个程序，是怎么跑起来的，有了一个初步的认识