吳章金: 深度剖析 Linux共享庫的「位置無關」實現原理
- 2019 年 11 月 11 日
- 筆記
背景簡介
本文再來談談共享庫的運行時位置無關（PIC）是如何做到的。
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PIC = position independent code -fpic Generate position-independent code (PIC) suitable for use in a shared library
共享庫有一個很重要的特徵，就是可以被多個可執行文件共享，以達到節省磁盤和內存空間的目標：
- 共享意味着不僅磁盤上只有一份拷貝，加載到內存以後也只有一份拷貝，那麼代碼部分在運行時也不能被修改，否則就得有多個拷貝存在
- 同時意味着，需要能夠靈活映射在不同的虛擬地址空間，以便適應不同程序，避免地址衝突
這兩點要求共享庫的代碼和數據都是位置無關的，接下來先看看什麼是「位置無關」。
什麼是位置無關
同樣以 hello.c 為例：
#include <stdio.h> int main(void) { printf("hellon"); return 0; }
以普通的方式來編譯並反彙編一個可執行文件看看：
$ gcc -m32 -o hello hello.c $ objdump -d hello | grep -B1 "call.*puts@plt>" 8048416: 68 b0 84 04 08 push $0x80484b0 804841b: e8 c0 fe ff ff call 80482e0 <puts@plt>
可以看到上面傳遞給 puts（printf）的字符串地址是「寫死的」，在編譯時就是確定的，這意味着 Load Address 也必須是固定的：
$ readelf -l hello | grep LOAD | head -1 LOAD 0x000000 0x08048000 0x08048000 0x005b0 0x005b0 R E 0x1000
上面可以看到 Load Address 為 0x8048000。
如果 Load Address 改變，數據地址就指向別的內容了，這就是「位置有關」。
共享庫的話，必須摒棄這種「寫死的」地址，要做到「位置無關」（註：prelink 是特殊需求，暫且不表）。
如何做到位置無關（Part1）
位置無關，意味着運行時可以靈活調整 Load Address，當 Load Address 在運行時發生改變後，代碼還能被執行到，數據也能被正確訪問。
那麼代碼和數據都變成跟 Load Address 相關的，不能再是絕對地址，而需要採用某個相對 Load Address 的地址。
動態鏈接器會負責找到可執行文件的共享庫並裝載它們，所以動態鏈接器是知道這個 Load Address 的，那麼函數符號其實是很容易確定的，來看看不帶 -fpic 時編譯生成一個共享庫：
- 查看
main函數的初始地址
$ gcc -m32 -shared -o libhello.so hello.c $ objdump -d libhello.so | grep -A 2 "main>:" 000004a9 <main>: 4a9: 8d 4c 24 04 lea 0x4(%esp),%ecx 4ad: 83 e4 f0 and $0xfffffff0,%esp
- 查看「裝載地址」，編譯後初始化為 0
$ readelf -l libhello.so | grep LOAD | head -1 LOAD 0x000000 0x00000000 0x00000000 0x0057c 0x0057c R E 0x1000
- 確認
main在文件中的偏移
$ readelf --dyn-syms libhello.so | grep m Symbol table '.dynsym' contains 12 entries: Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name 4: 00000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __gmon_start__ 9: 000004a9 46 FUNC GLOBAL DEFAULT 11 main $ hexdump -C -s $((0x4a9)) -n 10 libhello.so 000004a9 8d 4c 24 04 83 e4 f0 ff 71 fc |.L$.....q.| 000004b3
可以看到，對於 main 而言，無論把共享庫裝載到哪裡，動態鏈接器總能根據 Load Address 以及 .dynsym 中的偏移把 main 的運行時地址算出來（見 glibc：_dl_fixup）。
但是，這個時候（不用 -fpic 的話），數據地址也是「寫死的」：
$ objdump -d libhello.so | grep -B1 "call.*main" 4bd: 68 ec 04 00 00 push $0x4ec 4c2: e8 fc ff ff ff call 4c3 <main+0x1a>
作為對比，來看看加上 -fpic 的效果：
$ gcc -m32 -shared -fpic -o libhello.so hello.c $ objdump -dr libhello.so | grep -B6 "call.*puts@plt>" 4c8: e8 28 00 00 00 call 4f5 <__x86.get_pc_thunk.ax> 4cd: 05 33 1b 00 00 add $0x1b33,%eax 4d2: 83 ec 0c sub $0xc,%esp 4d5: 8d 90 10 e5 ff ff lea -0x1af0(%eax),%edx 4db: 52 push %edx 4dc: 89 c3 mov %eax,%ebx 4de: e8 bd fe ff ff call 3a0 <puts@plt>
可以看到，用上 -fpic 以後，傳遞給 puts 的數據地址（push %edx）已經是通過動態計算的，那是怎麼算的呢？
上面有個內聯進來的函數很關鍵：
$ objdump -dr libhello.so | grep -A3 "__x86.get_pc_thunk.ax>:" 000004f5 <__x86.get_pc_thunk.ax>: 4f5: 8b 04 24 mov (%esp),%eax 4f8: c3 ret
這個函數賊簡單，從棧頂取了一個數據就跳回去了，取的數據是什麼呢？這就要了解調用它的 call 指令了。
call 指令會把下一條指令的 eip 壓棧然後 jump 到目標地址：
call backward ==> push eip; jmp backward
所以，數據地址是運行時計算的，跟運行時的 「eip」 給關聯上了。
不難猜測，如果知道當前指令的位置，又提前保存了數據離當前位置的偏移，那麼數據地址是可以直接計算的，只是上面那一段代碼還是略微複雜了，因為有一堆 「Magic Number」。
不管怎麼樣，先來模擬計算一下，假設裝載到的地址就是 0x0，那麼執行到 add 指令時存到 eax 的 eip，恰好是 call 返回後下一條指令的地址，即 0x4cd：
4c8: e8 28 00 00 00 call 4f5 <__x86.get_pc_thunk.ax> 4cd: 05 33 1b 00 00 add $0x1b33,%eax 4d5: 8d 90 10 e5 ff ff lea -0x1af0(%eax),%edx
根據上述指令，那麼 %edx 計算出來就是 0x510：
$ echo "obase=16;$((0x4cd+0x1b33-0x1af0))" | bc 510
再去取數據：
$ hexdump -C -s $((0x510)) -n 10 libhello.so 00000510 68 65 6c 6c 6f 00 00 00 01 1b |hello.....| 0000051a
果然是字符串的地址，所以，相對偏移其實被拆分成了兩部分：0x1b33 和 -0x1af0。兩個 "Magic Number" 一加就出來了。
所以，小結一下，「位置無關」 是通過運行時動態獲取 「eip」 並加上一個編譯時記錄好的偏移計算出來的，這樣的話，無論加載到什麼位置，都能訪問到數據。
如何做到位置無關（Part2）
這對 「Magic Number」 還是需要再看一看，既然是編譯時確定的，看看彙編狀態是怎麼回事：
$ gcc -m32 -shared -fpic -S hello.c $ cat hello.s | grep -v .cfi ... .LC0: .string "hello" .text .globl main .type main, @function main: .LFB0: leal 4(%esp), %ecx andl $-16, %esp pushl -4(%ecx) pushl %ebp movl %esp, %ebp pushl %ebx pushl %ecx call __x86.get_pc_thunk.ax addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_, %eax subl $12, %esp leal .LC0@GOTOFF(%eax), %edx pushl %edx movl %eax, %ebx call puts@PLT ...
從 i386 的 archABI 不難找到這塊的定義（P61~P62），name@GOTOFF(%eax) 直接表示 name 符號相對 %eax 保存的 GOT 的偏移地址。
首先，編譯時要計算 $_GLOBAL_OFFSET_TABLE 和 .LC0@GOTOFF。
$_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 為 GOT 相對 eip 的偏移，可計算為：
>
$_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ = .got.plt – eip
計算過程如下：
$ readelf -S libhello.so | grep .got.plt [21] .got.plt PROGBITS 00002000 001000 000010 04 WA 0 0 4 $ echo "obase=16;$((0x2000-0x4cd))" | bc 1B33
接着，計算 .LC0@GOTOFF：
>
.LC0 – eip = GLOBAL_OFFSET_TABLE + .LC0@GOTOFF .LC0@GOTOFF = .LC0 – eip –GLOBALOFFSETTABLE+.LC0@GOTOFF.LC0@GOTOFF=.LC0−eip−GLOBAL_OFFSET_TABLE
計算過程如下：
$ echo "obase=16;$((0x510-0x4cd-0x1B33))" | bc -1AF0
反過來，運行時的計算公式為：
> >
.LC0 =GLOBAL_OFFSET_TABLE + .LC0@GOTOFF + eip .LC0 = 0x1B33 + (-1AF0) + eip .got.plt = GLOBALOFFSETTABLE+.LC0@GOTOFF+eip.LC0=0x1B33+(−1AF0)+eip.got.plt=GLOBAL_OFFSET_TABLE + eip .got.plt = 0x1B33 + eip
實際上，只有 .got.plt 的地址，即 ebx 需要 $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 來計算，這個是用來做動態地址重定位的，暫且不表。
.LC0 的地址，完全可以換一種方式，直接用 .LC0 到 eip 的偏移即可，彙編代碼改造完如下：
call __x86.get_pc_thunk.ax .eip: # 計算 eip + (.LC0 - .eip) 剛好指向內存中的數據 "hello" 所在位置 movl %eax, %ebx leal (.LC0 - .eip)(%eax), %edx # 計算 .got.plt 地址，_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 是相對 eip 的偏移，所以必須加上這個 offset：. - .eip addl $_GLOBAL_OFFSET_TABLE_ + [. - .eip], %ebx subl $12, %esp pushl %edx call puts@PLT
驗證結果：
$ gcc -m32 -g -shared -fpic -o libhello.so hello.s $ gcc -m32 -g -o hello.noc -L./ -lhello $ LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:./ ./hello.noc hello
小結
本文詳細介紹了 Linux 下 C 語言共享庫「位置無關」（PIC）的核心實現原理：即用 EIP 相對地址來取代絕對地址。
「位置無關」 代碼會帶來很大的內存使用靈活性，也會帶來一定的安全性，因為「位置無關」以後就可以帶來加載地址的隨機性，給代碼注入帶來一定的難度。
由於有上述好處，各大平台的 gcc 都開始默認打開可執行文件的 -pie -fpie 了，因為 gcc 編譯時開啟了：--enable-default-pie。這也可能導致一些「衰退」，大家可以根據需要關閉它：-no-pie，-fno-pie。
當然，共享庫的實現精髓不止於此，最核心的還是函數符號地址的動態解析過程，而這些則跟上面的 .got.plt 地址密切相關，受限於篇幅，暫時不做詳細展開。
（完）
