連結庫與位置無關程式碼：靜態/動態連結、PIC、GOT/PLT 機制深度解析

連結庫與位置無關程式碼：靜態/動態連結、PIC、GOT/PLT 機制深度解析

本文系統解析 Linux 下靜態連結、靜態共享庫、動態共享庫的區別，重點闡述位置無關程式碼（PIC）如何讓動態共享庫的程式碼段在多進程間真正共享，並詳細剖析 GOT、PLT、.dynamic 段的運作機制。

一、三種連結模式對比

二、關鍵名詞釐清

• 連結：目標檔與庫檔建立符號關聯。
• 裝載：連結後映射至虛擬記憶體。
• 連結重定位：靜態連結時將符號參考解析為相對起始位址的偏移。
• 裝載重定位：動態連結時在裝載階段根據實際虛擬位址修正絕對位址引用。

三、共用物件結構分析

.data 段（全域/靜態變數）

• 裝載時併入可執行檔的 .got 段，每個進程擁有私有副本（寫時複製 COW）。
• 區域變數存放於堆疊，不在共享庫段內。

.interp 段

• 指定動態連結器路徑（如 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2）。

.dynamic 段（動態連結關鍵資訊）

• DT_SYMTAB：.dynsym 動態符號表位址。
• DT_STRTAB：動態字串表位址。
• DT_REL：重定位表位址（.rel.text、.rel.data）。
• DT_NEEDED：依賴的其他共用物件名稱。

.symtab vs .dynsym

• .symtab：靜態連結符號表，含所有符號（含區域符號）。
• .dynsym：動態連結符號表，僅含外部可見符號，.dynsym ⊂ .symtab。

四、程式碼段與 PIC 實現

問題：非 PIC 程式碼含絕對位址引用

• 全域變數存取、函數呼叫若使用絕對位址，裝載到不同虛擬位址時會出錯。
• 強制固定裝載位址 → 退化為靜態共享庫，喪失靈活性。

解決方案：-fPIC 編譯選項

將程式碼段中所有絕對位址引用轉換為相對位址或間接引用：

.got.plt 三大核心條目

1. .dynamic 段位址 → 查找動態符號表。
2. 本模組 ID（如 libfoo.so 的 "foo"）。
3. _dl_runtime_resolve 函數位址 → 執行期符號解析。

五、動態裝載流程簡述

1. 核心將控制權交給動態連結器。
2. 動態連結器靜態連結自舉，將可執行檔映射至固定位址。
3. 讀取 .dynamic 中 DT_NEEDED，遞迴裝載依賴共用物件。
4. 合併符號表至全域符號表，映射全域變數至私有資料段（COW）。
5. 映射程式碼段（唯讀，多進程共享實體頁框）。
6. 所有依賴就緒後，跳轉可執行檔入口點開始執行。

六、編譯實戰指令

# 產生位置無關目標檔
gcc -fPIC -c foo.c -o foo.o
# 產生動態共享庫
gcc -shared foo.o -o libfoo.so
# 連結使用動態庫
gcc main.c -L. -lfoo -o main
# 執行時需設定 LD_LIBRARY_PATH 或安裝至標準路徑

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