GCC -fPIC 选项

Question

我已阅读GCC 的代码生成约定选项，但无法理解“生成与位置无关的代码 (PIC)”的作用。 请举一个例子来解释我是什么意思。

Answer 1

位置无关代码意味着生成的机器代码不依赖于位于特定地址才能工作。

例如，跳跃将产生为相对而非绝对。

伪组装：

PIC：无论代码是在地址 100 还是 1000，这都会起作用

100: COMPARE REG1, REG2
101: JUMP_IF_EQUAL CURRENT+10
...
111: NOP

非 PIC：仅当代码位于地址 100 时才有效

100: COMPARE REG1, REG2
101: JUMP_IF_EQUAL 111
...
111: NOP

编辑：回应评论。

如果您的代码是使用 -fPIC 编译的，则它适合包含在库中 - 库必须能够从其在内存中的首选位置重定位到另一个地址，在您的库喜欢的地址处可能有另一个已加载的库。

Answer 2

我将尝试以更简单的方式解释已经说过的内容。

每当加载共享库时，加载程序（操作系统上加载您运行的任何程序的代码）都会根据对象加载到的位置更改代码中的某些地址。

在上面的例子中，非PIC代码中的“111”是加载器第一次加载时写入的。

对于非共享对象，您可能希望它是这样的，因为编译器可以对该代码进行一些优化。

对于共享对象，如果另一个进程想要“链接”到该代码，它必须将其读取到相同的虚拟地址，否则“111”将毫无意义。 但是该虚拟空间可能已经在第二个过程中使用。

Answer 3

内置到共享库中的代码通常应该是与位置无关的代码，以便共享库可以轻松地（或多或少）加载到内存中的任何地址。 -fPIC选项确保 GCC 生成这样的代码。

Answer 4

进一步添加...

每个进程都有相同的虚拟地址空间（如果在 linux OS 中使用标志停止虚拟地址的随机化）（有关更多详细信息，请仅为我自己禁用和重新启用地址空间布局随机化）

因此，如果它的一个 exe 没有共享链接（假设场景），那么我们总是可以将相同的虚拟地址提供给相同的 asm 指令而不会造成任何伤害。

但是当我们想将共享对象链接到 exe 时，我们不确定分配给共享对象的起始地址，因为它取决于共享对象的链接顺序。也就是说，.so 中的 asm 指令总是有不同的虚拟地址取决于它链接到的进程。

因此，一个进程可以在自己的虚拟空间中将 .so 的起始地址作为 0x45678910 提供，而其他进程同时可以提供 0x12131415 的起始地址，如果它们不使用相对寻址，则 .so 将根本不起作用。

所以他们总是必须使用相对寻址模式，因此必须使用 fpic 选项。

Answer 5

在加载库时或在运行时解析动态库中函数的链接。 因此，程序运行时，可执行文件和动态库都会被加载到内存中。 加载动态库的内存地址无法提前确定，因为固定地址可能与另一个需要相同地址的动态库发生冲突。

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有两种常用的方法来处理这个问题：

1.搬迁。 如有必要，修改代码中的所有指针和地址以适合实际加载地址。 重定位由链接器和加载器完成。

2.位置无关代码。 代码中的所有地址都是相对于当前位置的。 默认情况下，类 Unix 系统中的共享对象使用与位置无关的代码。 如果程序运行很长时间，特别是在 32 位模式下，这比重定位效率低。

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“位置无关代码”这个名称实际上意味着以下内容：

• 代码段不包含需要重定位的绝对地址，而只有自身相对地址。 因此，代码段可以加载到任意内存地址并在多个进程之间共享。

• 数据部分不在多个进程之间共享，因为它通常包含可写数据。 因此，数据部分可能包含需要重定位的指针或地址。

• 所有公共功能和公共数据都可以在 Linux 中被覆盖。 如果 main 可执行文件中的函数与共享对象中的函数同名，则 main 中的版本将优先，不仅在从 main 调用时，而且在从共享对象调用时。 同样，当 main 中的全局变量与共享对象中的全局变量同名时，即使从共享对象访问，也会使用 main 中的实例。 这种所谓的符号插入旨在模仿静态库的行为。

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共享对象有一个指向其函数的指针表，称为过程链接表 (PLT)，以及一个指向其变量的指针表，称为全局偏移表 (GOT)，以实现此“覆盖”功能。

所有对函数和公共变量的访问都通过这些表。

ps 在无法避免动态链接的情况下，有多种方法可以避免位置无关代码的耗时特性。

您可以从这篇文章中了解更多信息： http ://www.agner.org/optimize/optimizing_cpp.pdf

Answer 6

对已经发布的答案的一个小补充：未编译为与位置无关的目标文件是可重定位的； 它们包含重定位表条目。

这些条目允许加载程序（将程序加载到内存中的代码位）重写绝对地址以调整虚拟地址空间中的实际加载地址。

操作系统将尝试与链接到同一共享对象库的所有程序共享加载到内存中的“共享对象库”的单个副本。

由于代码地址空间（与数据空间的部分不同）不需要是连续的，并且由于链接到特定库的大多数程序都有相当固定的库依赖树，因此大多数情况下都会成功。 在极少数存在差异的情况下，是的，可能需要在内存中拥有两个或多个共享对象库的副本。

显然，任何在程序和/或程序实例之间随机化库的加载地址的尝试（以减少创建可利用模式的可能性）都会使这种情况变得普遍，而不是罕见，因此如果系统启用了此功能，应该尽一切努力将所有共享对象库编译为与位置无关。

由于从主程序主体对这些库的调用也将成为可重定位的，这使得必须复制共享库的可能性大大降低。