5.4.5　加载动态库

加载动态库前，首先需要知道这个可执行程序依赖的动态库，当然也包括这些动态库依赖的动态库，因此，这是一个递归的过程。那么动态链接器是如何知道这些依赖的动态库呢？动态链接器不是一个人在战斗，在编译时，链接器已经为动态链接做了很多铺垫，其中之一就是在ELF文件中创建了一个段".dynamic"，保存的全部是与动态链接相关的信息。

我们观察一下可执行程序hello中的段".dynamic"：

段".dynamic"中记录了多组与动态库有关的信息，每一组信息都使用如下格式保存：

可见，每组信息使用的是tag/value的形式保存，只不过value有的是个整数值，有的是地址而已。

其中类型（Type）为"NEEDED"的项记录的就是可执行程序依赖的动态库。可以看到，hello依赖动态库libc.so.6和libf1.so。

动态链接器设计了一个数据结构来代表每个加载到内存的动态库（包括可执行程序），定义如下：

这个数据结构中记录了动态库重定位需要的关键两项信息：l_addr和l_ld。l_addr记录的是动态库在进程地址空间中映射的基址，有了这个参照，动态链接器才可以修订符号的运行时地址；l_ld指向动态库的段".dynamic"，通过这个参数，动态链接器可以知道一切与动态重定位相关的信息。为了方便，结构体link_map中定义了一个数组l_info，将段".dynamic"中的信息记录在这个数组中，就不必每次使用时再去重新解析".dynamic"了。

当内核将控制权转交给动态链接器时，链接器首先为即将处理的可执行程序创建一个link_map对象，在动态链接器代码中将其命名为main_map。然后，动态链接器找到这个可执行程序依赖的动态库，当然也包括其依赖的动态库也依赖的动态库，依次链接在main_map的后面，形成一个link_map对象链表。动态链接器作为动态库依赖的一个动态库，自然也包含在这个链表中。沿着这个链表，动态链接器将动态库映射进进程地址空间，并进行重定位。

函数dl_main调用_dl_map_object_deps加载可执行程序依赖的所有动态库，代码如下：

函数dl_main给函数_dl_map_object_deps传递了一个参数main_map，前面提到过这个参数，就是可执行程序的link_map对象。函数_dl_map_object_deps遍历可执行程序依赖的所有动态库，对每一个动态库调用函数_dl_map_object将这些动态库全部映射到进程的地址空间，代码如下：

因为动态库可能已经被加载到内存了，所以_dl_map_object首先从已经映射的动态库中寻找。如果没有找到，则调用函数_dl_map_object_from_fd从文件系统加载，代码如下：

_dl_map_object_from_fd调用函数mmap映射文件中的段到进程地址空间，并将映射基址记录到link_map中的l_addr。至于函数mmap，读者应该已经隐隐猜出来了，没错，这个函数就是我们编写应用程序时使用的C库的函数mmap，只不过这是在C库内部调用，所以函数名称略有差别，其实现如下：

_mmap首先将系统调用号__NR_mmap2装入寄存器eax，然后就向内核请求服务。这里请求内核服务时之所以没有使用0x80中断，原因是为了在支持快速系统调用（Fast System Call）指令sysenter/sysexit的CPU上使用这些比0x80中断更优化的系统调用指令。

在映射了程序段后，函数_dl_map_object_from_fd调用了函数mprotect设置段的读、写以及可执行权限，mprotect使用的是内核调用号为__NR_mprotect的服务。

我们看到，动态链接器并没有发明什么新的魔法，它只是使用内核提供的系统调用将动态库映射到进程的地址空间。也就是说，虽然动态库是由动态链接器在用户空间进程映射的，但是本质上的映射动作还是由内核完成的。

最后，_dl_map_object_from_fd将link_map中的成员l_ld指向了段".dynamic"所在的位置：

函数_dl_map_object_from_fd从Program Header Table中取出类型为"DYNAMIC"的段的地址，然后再加上动态库的映射基址。

最后，我们结合图5-31来直观地看一下多个进程是如何共享一个动态库的。

图　5-31　动态库的映射

最初，当共享库映射进内存后，代码段和数据段在物理内存中分别都只有一份副本，并且都是只读的，进程A和进程B共享只读的代码段和数据段。在进程运行过程中，当任一个进程试图修改数据段时，则内核将为这个进程复制一份私有的数据段的副本，而且这个数据段的权限被设置为可读写的。这里使用的策略就是所谓的写时复制（COW,Copy On Write）。但是这个复制动作不会影响进程的地址空间，对进程是透明的，只是同一段地址通过页面表映射到不同的物理页面而已。