為什么 GCC -mcmodel=large 為 function 調用添加偏移量，即使使用 -no-pie 標志，沒有 -fPIC？

Question

我嘗試使用 gcc 編譯非 PIC 代碼，我注意到 GCC 生成的匯編代碼不使用純 function 地址來調用，而是添加了一個奇怪的偏移量。

我使用 GCC 9.3.0 作為gcc test.c -o test-nopic -mcmodel=large -no-pie -O0使用以下代碼。 我遺漏了-fPIC 。

#include <stdio.h>

int var1 = 1;
int var2 = 2;

void putstr(int* ptr) {
    printf("val: %d\n", *ptr);
}

int main() {
    putstr(&var1);
    putstr(&var2);
}

這是來自objdump -wdrC -M intel test-nopic的main()代碼清單。

000000000040117e <main>:
  40117e:       55                      push   rbp
  40117f:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  401182:       53                      push   rbx
  401183:       48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  401187:       48 8d 1d f9 ff ff ff    lea    rbx,[rip+0xfffffffffffffff9]        # 401187 <main+0x9>
  40118e:       49 bb 79 2e 00 00 00 00 00 00   movabs r11,0x2e79
  401198:       4c 01 db                add    rbx,r11
  40119b:       48 b8 30 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x30
  4011a5:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011a9:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011b3:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011b7:       ff d0                   call   rax
  4011b9:       48 b8 34 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x34
  4011c3:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011c7:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011d1:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011d5:       ff d0                   call   rax
  4011d7:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  4011dc:       48 83 c4 08             add    rsp,0x8
  4011e0:       5b                      pop    rbx
  4011e1:       5d                      pop    rbp
  4011e2:       c3                      ret

pusr(int*) 的地址是0x401126 。 readelf -l test-nopic顯示文件類型為 EXEC 和以下標題：

  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000400040 0x0000000000400040
                 0x0000000000000268 0x0000000000000268  R      0x8
  INTERP         0x00000000000002a8 0x00000000004002a8 0x00000000004002a8
                 0x000000000000001c 0x000000000000001c  R      0x1
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000
                 0x00000000000004d8 0x00000000000004d8  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000001000 0x0000000000401000 0x0000000000401000
                 0x0000000000000275 0x0000000000000275  R E    0x1000
  LOAD           0x0000000000002000 0x0000000000402000 0x0000000000402000
                 0x0000000000000168 0x0000000000000168  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000002e00 0x0000000000403e00 0x0000000000403e00
                 0x0000000000000238 0x0000000000000240  RW     0x1000
  DYNAMIC        0x0000000000002e10 0x0000000000403e10 0x0000000000403e10
                 0x00000000000001d0 0x00000000000001d0  RW     0x8
  NOTE           0x00000000000002c4 0x00000000004002c4 0x00000000004002c4
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_EH_FRAME   0x0000000000002010 0x0000000000402010 0x0000000000402010
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     0x10
  GNU_RELRO      0x0000000000002e00 0x0000000000403e00 0x0000000000403e00
                 0x0000000000000200 0x0000000000000200  R      0x1

1. 為什么 gcc 在調用前不使用movabs rax, 0x401126 ？
2. 為什么在 4011a9 使用的地址（？）被所有這些 0xFF 填充？
3. 為什么 gcc 使用帶有奇怪偏移量的 rip 寄存器，然后使用不適合上面列出的任何段的魔法值 0x2e79。

Answer 1

通過@Jester 的評論，我解開了這個謎團。 我還必須使用-fno-pic標志進行編譯，以禁用在大多數現代 GNU/Linux 發行版中默認啟用的 PIE 代碼生成。 -no-pie只是 linker 選項， -fno-pic或-fno-pie是代碼生成選項。 請參閱x86-64 Linux 中不再允許使用 32 位絕對地址？

問題中的代碼（使用-mcmodel=large -no-pie -O0編譯）使用對從rax寄存器獲取的絕對地址的調用。 該地址是使用以下代碼從rip寄存器計算的。

  401187:       48 8d 1d f9 ff ff ff    lea    rbx,[rip+0xfffffffffffffff9]        # 401187 <main+0x9>
  40118e:       49 bb 79 2e 00 00 00 00 00 00   movabs r11,0x2e79
  401198:       4c 01 db                add    rbx,r11
  40119b:       48 b8 30 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x30
  4011a5:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011a9:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011b3:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011b7:       ff d0                   call   rax

我計算了存儲在rip中的地址，它看起來指向 0x40118e。 它用於計算 function 及其參數的地址（var1 的地址存儲在rdi寄存器中，它指向 RW LOAD 段）。 使用-fno-pic標志，function 調用看起來如我所願。

  40115c:       48 bf 30 40 40 00 00 00 00 00   movabs rdi,0x404030
  401166:       48 b8 26 11 40 00 00 00 00 00   movabs rax,0x401126
  401170:       ff d0                   call   rax

---

在默認代碼 model（ large ）中：

如果沒有-mcmodel=large標志（ -no-pie -fno-pic -O0 ），它看起來會有所不同。 Static 數據和代碼可通過 32 位相對位移，甚至非 PIE 代碼中的 32 位絕對位移來訪問。 這效率更高，尤其是對於代碼； 盡可能避免-mcmodel=large 。 如果您只需要一些巨大的 static arrays，請使用-mcmodel=medium 。

這是相對版本中的一個調用：對於與位置相關的代碼，它可以將 static 地址放入具有高效mov r32, imm32的寄存器中（ 如何在 GNU ABAC850 EEE34Z 中加載 function 或 ZD304BA20E96D8774Z 的地址到寄存器中）

  401150:       bf 30 40 40 00          mov    edi,0x404030
  401155:       e8 cc ff ff ff          call   401126 <putstr>

這是一個只有-fpie的代碼（在我的配置中默認啟用）。

    1165:       48 8d 3d c4 2e 00 00    lea    rdi,[rip+0x2ec4]        # 4030 <var1>
    116c:       e8 c8 ff ff ff          call   1139 <putstr>

在添加-fpic標志以啟用全局函數（如共享庫）的符號插入之后：鏈接后沒有真正的區別，只是一個額外的不必要的mov而不是首先將 arg 放入rdi 。 （這是-O0的產物：編譯快，不好）

    1165:       48 8d 05 c4 2e 00 00    lea    rax,[rip+0x2ec4]        # 4030 <var1>
    116c:       48 89 c7                mov    rdi,rax
    116f:       e8 c5 ff ff ff          call   1139 <putstr>

如果我們將var1聲明為static （C 中的“靜態”是什么意思？）， gcc -O0恰好避免了額外的mov 。 或者更簡單地說，至少-Og啟用優化，更常見的是-O2或-O3 。 未優化的代碼充滿了浪費的指令。