深入了解GOT,PLT和动态链接
我们使用一个简单的例子来了解动态链接库的链接过程，以及在这个过程中使用到的GOT和PLT的作用是什么。
文件准备
代码结构如下所示：
[root@localhost test]# tree .
.
├── main.c
└── symbol.c
symbol.c的内容如下：
// symbol.c
int my_var = 42;
int my_func(int a, int b) {
return a + b;
}
使用如下脚本进行编译：
gcc -g -m32 -masm=intel -shared -fPIC symbol.c -o libsymbol.so
如果编译不成功，使用如下命令安装32位的版本的c/c++库。
yum install glibc-devel.i686
yum install libstdc++-devel.i686
另一个文件是main.c, 调用该动态链接库，代码如下：
// main.c
int var = 10;
extern int my_var;
extern int my_func(int, int);
int main() {
int a, b;
a = var;
b = my_var;
return my_func(a, b);
}
使用下面的代码进行编译。
# 位置相关
gcc -g -m32 -masm=intel -L. -lsymbol -no-pie -fno-pic main.c libsymbol.so -o main
# 位置无关
gcc -g -m32 -masm=intel -L. -lsymbol main.c libsymbol.so -o main_pi
当目录中生成了main、main_pi、libsymbol.so时，准备工作结束。
动态链接分析
我们使用readelf -S main |egrep '.plt|.got'查看可执行文件中的plt和got相关的段。
[Nr] Name Type Addr Off Size ES Flg Lk Inf Al
[12] .plt PROGBITS 080483d0 0003d0 000030 04 AX 0 0 16
[21] .got PROGBITS 08049ff4 000ff4 00000c 04 WA 0 0 4
[22] .got.plt PROGBITS 0804a000 001000 000014 04 WA 0 0 4
这里需要对.got.plt的地址0804a000有个印象。
进入gdb调用该程序：
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x0804853d <+0>: lea 0x4(%esp),%ecx
0x08048541 <+4>: and $0xfffffff0,%esp
0x08048544 <+7>: pushl -0x4(%ecx)
0x08048547 <+10>: push %ebp
0x08048548 <+11>: mov %esp,%ebp
0x0804854a <+13>: push %ecx
0x0804854b <+14>: sub $0x14,%esp
0x0804854e <+17>: mov 0x804a018,%eax
0x08048553 <+22>: mov %eax,-0xc(%ebp)
0x08048556 <+25>: mov 0x804a01c,%eax
0x0804855b <+30>: mov %eax,-0x10(%ebp)
0x0804855e <+33>: sub $0x8,%esp
0x08048561 <+36>: pushl -0x10(%ebp)
0x08048564 <+39>: pushl -0xc(%ebp)
0x08048567 <+42>: call 0x80483e0 <my_func@plt>
0x0804856c <+47>: add $0x10,%esp
0x0804856f <+50>: mov -0x4(%ebp),%ecx
0x08048572 <+53>: leave
0x08048573 <+54>: lea -0x4(%ecx),%esp
0x08048576 <+57>: ret
End of assembler dump.
我们在call 0x80483e0 <my_func@plt>这一句上下一个断点。
(gdb) b *0x08048567
Breakpoint 1 at 0x8048567: file main.c, line 9.
使用run运行程序到断点处。
(gdb) r
Starting program: /home/work/cpp_proj/test/main
Missing separate debuginfos, use: yum debuginfo-install glibc-2.28-164.el8.i686
Breakpoint 1, 0x08048567 in main () at main.c:9
9 return my_func(a, b);
查看一下main，确实停在了断点处：
(gdb) disass main
Dump of assembler code for function main:
0x0804853d <+0>: lea 0x4(%esp),%ecx
0x08048541 <+4>: and $0xfffffff0,%esp
0x08048544 <+7>: pushl -0x4(%ecx)
0x08048547 <+10>: push %ebp
0x08048548 <+11>: mov %esp,%ebp
0x0804854a <+13>: push %ecx
0x0804854b <+14>: sub $0x14,%esp
0x0804854e <+17>: mov 0x804a018,%eax
0x08048553 <+22>: mov %eax,-0xc(%ebp)
0x08048556 <+25>: mov 0x804a01c,%eax
0x0804855b <+30>: mov %eax,-0x10(%ebp)
0x0804855e <+33>: sub $0x8,%esp
0x08048561 <+36>: pushl -0x10(%ebp)
0x08048564 <+39>: pushl -0xc(%ebp)
=> 0x08048567 <+42>: call 0x80483e0 <my_func@plt>
0x0804856c <+47>: add $0x10,%esp
0x0804856f <+50>: mov -0x4(%ebp),%ecx
0x08048572 <+53>: leave
0x08048573 <+54>: lea -0x4(%ecx),%esp
0x08048576 <+57>: ret
使用单步，进入my_func@plt中
(gdb) si
0x080483e0 in my_func@plt ()
查看my_func@plt的内容：
(gdb) x/3i $pc
=> 0x80483e0 <my_func@plt>: jmp *0x804a00c
0x80483e6 <my_func@plt+6>: push $0x0
0x80483eb <my_func@plt+11>: jmp 0x80483d0
第一步是一个地址跳转，我们查看一下0x804a00c的内容
(gdb) x/4xw 0x804a00c
0x804a00c <my_func@got.plt>: 0x080483e6 0xf7e2a0f0 0x00000000 0x0000000a
我们发现0x804a00c处的内容是0x080483e6，即jmp *0x804a00c的下一行，即跳转到下一行执行。
接着是执行push $0x0，接着又跳转到0x80483d0执行。
我们查看jmp 0x80483d0处的内容：
(gdb) x/2i 0x80483d0
0x80483d0: pushl 0x804a004
0x80483d6: jmp *0x804a008
我们看到后面会跳转到0x804a008处执行，在这之前我们提到过0x804a000是.got.plt的地址。
.plt.got表项前三个位置, 分别是:
- got[0]: 本ELF动态段(.dynamic段)的装载地址
- got1: 本ELF的link_map数据结构描述符地址
- got2: _dl_runtime_resolve函数的地址
0x804a004则是调用该函数的参数, 且值为got1, 即本ELF的link_map的地址。
0x804a008正好是第三项got2, 即_dl_runtime_resolve函数的地址。
因此jmp *0x804a008作用是跳转到_dl_runtime_resolve执行加载。
下面我们打印一下，验证一下分析。首先0x804a008处存储的是0xf7fe5090。
(gdb) x/4xw 0x804a000
0x804a000: 0x08049f04 0xf7ffd9a0 0xf7fe5090 0x080483e6
打印0xf7fe5090处的内容，确实是进入了_dl_runtime_resolve中。
(gdb) x/12i 0xf7fe5090
0xf7fe5090 <_dl_runtime_resolve>: endbr32
0xf7fe5094 <_dl_runtime_resolve+4>: push %eax
0xf7fe5095 <_dl_runtime_resolve+5>: push %ecx
0xf7fe5096 <_dl_runtime_resolve+6>: push %edx
0xf7fe5097 <_dl_runtime_resolve+7>: mov 0x10(%esp),%edx
0xf7fe509b <_dl_runtime_resolve+11>: mov 0xc(%esp),%eax
0xf7fe509f <_dl_runtime_resolve+15>: call 0xf7fdec10 <_dl_fixup>
0xf7fe50a4 <_dl_runtime_resolve+20>: pop %edx
0xf7fe50a5 <_dl_runtime_resolve+21>: mov (%esp),%ecx
0xf7fe50a8 <_dl_runtime_resolve+24>: mov %eax,(%esp)
0xf7fe50ab <_dl_runtime_resolve+27>: mov 0x4(%esp),%eax
0xf7fe50af <_dl_runtime_resolve+31>: ret $0xc
_dl_runtime_resolve实际上做了两件事:
- 解析出my_func的地址并将值填入.got.plt中
- 跳转执行真正的my_func函数.
验证前后过程，确实将0x804a00c处的值修改成了my_func的值。
我们可以在0x80483d6: jmp *0x804a008语句上下一个断点，打印0x804a00c前后的值的变化，可以看到确实发生了变化。可以看到, 在_dl_runtime_resolve之前, 0x804a00c地址的值为0x080483e6,即下一条指令。而运行之后, 该地址的值变为0xf7fb845d, 正是my_func的加载地址!
也就是说, my_func函数的地址是在第一次调用时, 才通过连接器动态解析并加载到.got.plt中的. 而这个过程, 也称之为延时加载或者惰性加载。
(gdb) x/xw 0x804a00c
0x804a00c <my_func@got.plt>: 0x080483e6
(gdb) x/xw 0x804a00c
0x804a00c <my_func@got.plt>: 0xf7fb845d
最后打印一下0xf7fb845d的值，看看是不是my_func。
(gdb) x/4i 0xf7fb845d
0xf7fb845d <my_func>: push %ebp
0xf7fb845e <my_func+1>: mov %esp,%ebp
0xf7fb8460 <my_func+3>: call 0xf7fb8474 <__x86.get_pc_thunk.ax>
0xf7fb8465 <my_func+8>: add $0x1b9b,%eax
整个过程可以参考下图，对于my_func第一次执行和后续执行，行为是不一样的。
这个过程是不是似曾相识，通常我们在写后台的接口时，当查询完数据后，通常会将数据以插入到redis中，以便下一次访问时可以快速访问到。这里也是这样的机制。
而对于.plt段，就类似于一个后台查询接口，对于.got段,就类似于数据库，对于.plt.got段，就类似于redis缓存。
总结
动态库的加载过程相比于静态库是非常复杂的，其中使用到了.got，.plt和.plt.got段。对于这三个段，可以将其与我们熟悉的CRUD接口进行类比，.plt段，就类似于一个后台查询接口，.got段,就类似于数据库， plt.got段，就类似于redis缓存，是给.plt段查询做的缓存。
