计算机组成 -- 动态链接

静态链接

把对应的不同文件内的代码段合并在一起，成为最后的可执行文件，可以做到代码在开发阶段的复用
很多程序都需要通过装载器装载到内存里面，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

动态链接

动态链接过程中，需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）
- 加载到内存中的共享库会被很多程序的指令调用
Windows的共享库文件是.dll（Dynamic-Link Libary）文件；Linux的共享库文件是.so（Shared Object）文件

地址无关 + 相对地址

要在程序运行时共享代码，这些机器码必须是地址无关的，即编译出来的共享库文件的指令代码，是地址无关码
- 地址无关码（PIC）：Position-Independent Code，无论加载到哪个物理内存地址，都能够正常执行
- 大部分函数库都能做到地址无关，因为都是接受特定的输入，进行确定的操作，然后给出返回结果
对于所有动态链接共享库的程序来讲
- 虽然共享库用的都是同一段物理内存地址
- 但在不同的应用程序里，共享库所在的虚拟内存地址是不同的
- 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 – 万恶的侵入性
动态共享库编译出来的代码指令如果做到地址无关的？
- 动态共享库内部的变量和函数调用很容易解决，只需要使用相对地址即可
  - 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
  - 整个共享库是放在一段连续的虚拟内存地址中
    - 无论装载到哪一段虚拟内存地址，不同指令之间的相对地址都是不变的

解决方案：PLT + GOT

源代码

lib.h

// lib.h

#ifndef LIB_H
#define LIB_H

void show_me_the_money(int money);

#endif

lib.c

// lib.c
#include <stdio.h>

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

show_me_poor.c

// show_me_poor.c
#include "lib.h"

int main()
{
    int money = 5;
    show_me_the_money(money);
}

lib.c -> lib.so

1 2	$ gcc lib.c -fPIC -shared -o lib.so $ gcc -o show_me_poor show_me_poor.c lib.so

-fPIC：Position Independent Code，编译成一个地址无关的代码
gcc编译了可执行文件show_me_poor：动态链接了lib.so

PLT – Procedure Link Table

$ objdump -d -M intel -S show_me_poor
......
00000000004004e0 <.plt>:
  4004e0:    ff 35 22 0b 20 00    	push   QWORD PTR [rip+0x200b22]        # 601008 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
  4004e6:    ff 25 24 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b24]        # 601010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
  4004ec:    0f 1f 40 00          	nop    DWORD PTR [rax+0x0]
......
00000000004004f0 <show_me_the_money@plt>:
  4004f0:    ff 25 22 0b 20 00    	jmp    QWORD PTR [rip+0x200b22]        # 601018 <show_me_the_money>
  4004f6:    68 00 00 00 00       	push   0x0
  4004fb:    e9 e0 ff ff ff       	jmp    4004e0 <.plt>
......
000000000040060d <main>:
  40060d:    55                   	push   rbp
  40060e:    48 89 e5             	mov    rbp,rsp
  400611:    48 83 ec 10          	sub    rsp,0x10
  400615:    c7 45 fc 05 00 00 00 	mov    DWORD PTR [rbp-0x4],0x5
  40061c:    8b 45 fc             	mov    eax,DWORD PTR [rbp-0x4]
  40061f:    89 c7                	mov    edi,eax
  400621:    e8 ca fe ff ff       	call   4004f0 <show_me_the_money@plt>
  400626:    c9                   	leave
  400627:    c3                   	ret
  400628:    0f 1f 84 00 00 00 00 	nop    DWORD PTR [rax+rax*1+0x0]
  40062f:    00
......

main函数调用show_me_the_money函数时，对应的代码是call 4004f0 <show_me_the_money@plt>
- @plt：需要从PLT，也就是程序链接表（Procedure Link Table）查找要调用的函数，对应的地址是4004f0
来到4004f0，里面又有一次跳转jmp 4004e0 <.plt>，来到GLOBAL_OFFSET_TABLE，即GOT
GLOBAL_OFFSET_TABLE即全局偏移表

GOT – Global Offset Table

在共享库的**data section，保存了一张全局偏移表（GOT**，Global Offset Table）
重要前提：共享库的代码部分和数据部分
- 代码部分的物理内存是共享的
- 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
所有需要引用当前共享库外部地址的指令，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
- 步骤：想要调用共享库的实际指令 -> PLT -> GOT -> 本进程的虚拟内存地址 -> 物理内存地址（共享库）
GOT里的内容，是在本进程加载一个个共享库的时候写进去的
- GOT里的内容是运行时计算的，并非编译时确定的
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的虚拟内存地址是不同的！！
不同的程序调用同样的动态库，各自的内存地址是独立的，调用的又都是同一个动态库
- 但不需要去修改动态库里面代码所使用的地址，各个程序各自维护好自己的GOT，能够找到对应的动态库即可
本质：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

小结

静态链接 -> 代码在开发阶段的复用；动态链接 -> 代码在运行阶段的复用
C语言的标准库在1MB以上
- /usr/bin下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，会占用几GB甚至几十GB的的磁盘空间
- 服务端要开上千个进程，如果采用静态链接，会占用几GB的内存空间
动态链接的主要价值：节省资源（磁盘、内存）！！