8、iOS强化 --- 动态链接（详解）

2021-03-11  本文已影响0人  Jax_YD

我们在5、iOS强化 --- 链接与符号（补充内容）里面提到了动态链接，在这里我们再详细的探讨一下，动态链接到底是怎么链接的。

还记的我们之前举的例子吗？
比如：我们开发中经常会用到的Foundation框架（Apple提供的），如果采用静态链接的方式，那么市面上所有用到它的APP都要在自己的Mach-O文件中集成它。试想一下，一旦该库出现问题，那所有用到它的APP都要从新集成，从新上架。这样做不仅让APP的体积变大，而且还极不方便。

接下来我们来看一下动态链接是怎么实现的。

动态链接的基本实现

首先我们来了解两个名词：

名字 解释
dyld the dynamic link editor。动态链接器
dylib 动态链接库，也叫做共享对象 
// dyld 加载命令
struct dylinker_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_ID_DYLINKER, LC_LOAD_DYLINKER or
                       LC_DYLD_ENVIRONMENT */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes pathname string */
    union lc_str    name;        /* dynamic linker's path name */
};

/*
 * A variable length string in a load command is represented by an lc_str
 * union.  The strings are stored just after the load command structure and
 * the offset is from the start of the load command structure.  The size
 * of the string is reflected in the cmdsize field of the load command.
 * Once again any padded bytes to bring the cmdsize field to a multiple
 * of 4 bytes must be zero.
 */
union lc_str {
    uint32_t    offset; /* offset to the string */
#ifndef __LP64__
    char        *ptr;   /* pointer to the string */
#endif 
};

struct dylib_command {
    uint32_t    cmd;        /* LC_ID_DYLIB, LC_LOAD_{,WEAK_}DYLIB,
                       LC_REEXPORT_DYLIB */
    uint32_t    cmdsize;    /* includes pathname string */
    struct dylib    dylib;      /* the library identification */
};

struct dylib {
    union lc_str  name;         /* library's path name */
    uint32_t timestamp;         /* library's build time stamp */
    uint32_t current_version;       /* library's current version number */
    uint32_t compatibility_version; /* library's compatibility vers number*/
};

想必这里大家都主要到了，dyld&dylib加载命令的最后都是lc_str，大家仔细阅读lc_str的注释部分。
大致意思就是说：name放在加载命令的结尾，name放到加载命令结构体时候，偏移量是从加载命令结构体的开头开始的。并且加载命令是4字节的倍数，不够的话用0填充（必须是0）。

动态链接实例

extern char *global_var;

void print(char *str);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    print(global_var);
    return 0;
}

extern char *global_var;

void print(char *str);

int main(int argc, const char * argv[]) {
    print(global_var);
    return 0;
}

我们将b.c文件包装成dylib动态库，然后a文件与动态库合并成main可执行文件：
1、编译a.c，生成a.o

xcrun -sdk iphoneos clang -c a.c -o a.o -target arm64-apple-ios12.2

2、编译b.c 生成libPrint.dylib

xcrun -sdk iphoneos clang -fPIC -shared b.c -o libPrint.dylib -target arm64-apple-ios12.2

3、链接main.o&libPrint.dylib，生成main可执行文件

xcrun -sdk iphoneos clang a.o -o main -L . -l Print -target arm64-apple-ios12.2

// -target arm64-apple-ios12.2 ==> 运行的目标版本号iOS12.2
// -l Print ==> 链接libPrint.dylib
// -L . ==> libPrint.dylib在当前路径寻找（.代表当前路径）
image.png
⚠️ 上面说过动态链接 与 静态链接的区别就是链接的时机推迟到程序被加载的时候。但是上面第3步将目标文件main.o链接成可执行文件的时候，还是用到了动态库libPrint.dylib。
我们来看一下main可执行文件：
image.png
我们在7、iOS强化 --- 静态链接（详解）讲过，再经过重定位之后，静态链接的话，此时已经\color{red}{知道符号地址}。但是通过上图可以看到，动态链接的话，此时是\color{red}{不知道符号地址}。、

动态链接的情况下，在链接的时候让链接器(dyld)知道这两个符号来自dylib，只需要给这两个符号做标记就可以了，而不是此刻进行绑定和重定位。生成的main可执行文件知道这两个符号来自dylib，做了标记。等到main被加载的时候，再把这两个符号绑定到dylib中，并进行重定位。

PIC（position-independent code 地址无关代码）

dylib需要被修改的部分（对地址的引用），按照是否跨模块分为两类；按照引用方式又可以分为两类：函数调用 & 数据访问。这样总共可以分为4类：

dylib需要被修改的部分，分类情况
1、模块内部的函数调用、跳转等。
2、模块内部的数据访问，比如模块中定义的全局变量，静态变量等。
3、模块外部的数据访问、跳转等。（如：a.dylib 调用 b.dylib中的函数）
4、模块外部的数据访问。（访问其他模块模块中定义的全局变量）

延迟绑定

模块外部的函数和数据的放完，都是通过got来间接寻址的。程序被加载的时候，动态链接器要进行一次链接工作，比如加载依赖的模块，修改got里面的地址（符号查找、地址重定位）等工作，减慢了程序的启动速度。

举个例子：我们在开发中引入Foundation动态库，但是并不是说库里面的所有函数我们都会用到。如果我们在程序启动的时候就去绑定所有的符号地址，显然是不合理的。

这时候就用到了延迟绑定的技术。
在Mach-O中，因为模块间的数据访问很少（模块间如果提供了很多全局变量给其他模块使用，那耦合度太大了，所以这种情况很少见），所以外部数据地址都放到got（也叫做Non-Lazy Symbol Pointers）数据段，非惰性的，动态链接阶段就寻找好所有数据符号的地址。
而模块间函数调用就很频繁，这里就用延迟绑定的技术，将外部函数地址放到la_symbol_ptr(Lazy Symbol Pointers)数据段，惰性的，程序第一次调用这个函数的时候，才去寻找函数地址，然后将地址写入到这个数据段。

image.png
image.png 
struct dysymtab_command {
    uint32_t cmd;    /* LC_DYSYMTAB */
    uint32_t cmdsize;    /* sizeof(struct dysymtab_command) */
    ...
    uint32_t indirectsymoff; /* file offset to the indirect symbol table */ 到间接符号表的偏移量，可以确定位置
    uint32_t nindirectsyms;  /* number of indirect symbol table entries */ 间接符号表里面符号的个数
    ...
}

dysymtab_command可看做指向一个数组，里面的元素是整型数字。
例如：dysymtab[0] == 2 ，代表间接符号表第0项对应的符号，在符号表中的第2项。

struct section_64 { /* for 64-bit architectures */
    char        sectname[16];   /* name of this section */
    char        segname[16];    /* segment this section goes in */
    uint64_t    addr;       /* memory address of this section */
    uint64_t    size;       /* size in bytes of this section */
    uint32_t    offset;     /* file offset of this section */
    uint32_t    align;      /* section alignment (power of 2) */
    uint32_t    reloff;     /* file offset of relocation entries */
    uint32_t    nreloc;     /* number of relocation entries */
    uint32_t    flags;      /* flags (section type and attributes)*/
    uint32_t    reserved1;  /* reserved (for offset or index) */
    uint32_t    reserved2;  /* reserved (for count or sizeof) */
    uint32_t    reserved3;  /* reserved */
};

大家可以看到结构体中有一个reserved1，在got数据段的section_64里面，reserved1代表got里面的符号在间接符号表(IndirectSymbolTable)的起始Index。
结合上面的间接符号表的含义，我们可以得出这样一个逻辑：
1、假设A代表间接符号表里面的元素，则 A = IndirectSymbolTable[got.section_64.reserved1]
2、拿到A之后，我们就可以去符号表里面找到对应的符号。

_print的寻址过程，总结一下就是：
1、先从la_symbol_ptr找到对应指针；
2、然后去__stub_helper找到相应的地址（建议大家去理解一下这里面的汇编代码）；
3、跳到相应的地址，此时到了got数据段。

⚠️ 我们在上面提到过，got里面存放的是外部数据符号。但是在动态链接的时候，会重定位dyld的dyld_stub_binder函数地址，放在这里。
dyld_stub_binder是一个寻址外部函数地址的函数，所以必须提前重定位好。
第一次调用print函数的时候，会调用dyld_stub_binder函数去寻找地址，找到之后把print的地址写入到la_symbol_ptr数据段，替换到对应的指针（这里面是结尾是7FAC的地址），然后调用print函数。
之后再调用print函数的时候，就不用去寻址了，直接就可以调用，因为函数地址已经被写入了la_symbol_ptr数据段。

参考文档：https://juejin.cn/post/6844903922654511112#comment

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