00 前言

在计算机领域中，地址无关代码（position-independent code，PIC），又称地址无关可执行文件（position-independent executable，PIE），是指可在主存储器中任意位置正确地运行，而不受其绝对地址影响的一种机器码。PIC广泛使用于共享库，使得同一个库中的代码能够被加载到不同进程的地址空间中。PIC还用于缺少内存管理单元的计算机系统中，使得操作系统能够在单一的地址空间中将不同的运行程序隔离开来。

通过这种方式，无限多个进程可以共享一个共享模块的代码段的单一副本，用户可以对 GCC 使用 -fpic 选项指示 GNU 编译系统生成 PIC 代码。

01 PIC 数据引用

编译器在数据段开始的地方创建了一个表，叫做全局偏移量表（Global Offset Table, GOT) 。在 GOT 中，每个被这个目标模块引用的全局数据目标（过程或全局变量）都有一个 8 字节条目。编译器还为 GOT 中每个条目生成一个重定位记录。在加载时，动态链接器会重定位 GOT 中的每个条目，使得它包含目标的正确的绝对地址。每个引用全局目标的目标模块都有自己的 GOT。

用GOT引用全局变量

02 PIC 函数调用

使用了“延迟绑定”解决这个问题，将过程地址的绑定推迟到了第一次调用该过程时

该技术的动机：

  • 对于共享库，应用程序通常只会使用其中很少的一部分，因此该方法可以避免不需要的重定位。

第一次调用，进行绑定的时候开销很大，但是其后的每次调用都只会花费一条指令和一个间接的内存引用。

使用了两个数据结构：

  • GOT 全局偏移量表——数据段的一部分

    • GOT 是一个数组，每个条目都是 8 字节

  • PLT 过程链接表（Procedure Linkage Table）——代码段的一部分

    • PLT 是一个数组，每个条目都是 16 字节

    • 每个被可执行程序调用的库函数都有他自己的 PLT 条目

    • PLT[0] 跳转到动态链接器中

    • PLT[1] 调用系统启动函数 __libc_start_main，初始化执行环境，调用 main 函数并处理其返回值

    • PLT[2] 开始，调用用户代码调用的函数

调用addvec

上图展示了调用 addvec 的原理：

  1. 程序调用进入 PLT[2]

  2. 第一次跳转到下一条指令，将 addvec 的 ID 压入栈中，然后跳转到 PLT[0]

  3. 跳转到动态链接器中，使用两个栈条目确定 addvec 的运行时位置，重写 GOT[4]，再跳回 addvec

  4. 后续再调用进入 PLT[2] 就可以直接跳转到 addvec 了

参考资料：

  1. 地址无关代码 https://baike.baidu.com/item/地址无关代码/22702477

  2. 《深入理解计算机系统》P489