Linking 15-213: Introduc0on to Computer Systems 11 th Lecture, - PowerPoint PPT Presentation

Carnegie Mellon Linking ¡ 15-­‑213: ¡Introduc0on ¡to ¡Computer ¡Systems ¡ 11 th ¡Lecture, ¡Sept. ¡30, ¡2010 ¡ Instructors: ¡ ¡ Randy ¡Bryant ¡and ¡Dave ¡O’Hallaron ¡ 1

Carnegie Mellon Today ¡  Linking ¡  Case ¡study: ¡Library ¡interposi7oning ¡ 2

Carnegie Mellon Example ¡C ¡Program ¡ main.c swap.c int buf[2] = {1, 2}; extern int buf[]; int main() int *bufp0 = &buf[0]; { static int *bufp1; swap(); return 0; void swap() } { int temp; bufp1 = &buf[1]; temp = *bufp0; *bufp0 = *bufp1; *bufp1 = temp; } 3

Carnegie Mellon Sta7c ¡Linking ¡  Programs ¡are ¡translated ¡and ¡linked ¡using ¡a ¡ compiler ¡driver : ¡  unix> gcc -O2 -g -o p main.c swap.c  unix> ./p main.c swap.c Source ¡files ¡ Translators ¡ Translators ¡ (cpp, ¡cc1, ¡as) ¡ (cpp, ¡cc1, ¡as) ¡ Separately ¡compiled ¡ main.o swap.o relocatable ¡object ¡files ¡ Linker ¡(ld) ¡ Fully ¡linked ¡executable ¡object ¡file ¡ p (contains ¡code ¡and ¡data ¡for ¡all ¡func;ons ¡ defined ¡in ¡ main.c and swap.c ) ¡ 4

Carnegie Mellon Why ¡Linkers? ¡  Reason ¡1: ¡Modularity ¡  Program ¡can ¡be ¡wriKen ¡as ¡a ¡collec0on ¡of ¡smaller ¡source ¡files, ¡ rather ¡than ¡one ¡monolithic ¡mass. ¡  Can ¡build ¡libraries ¡of ¡common ¡func0ons ¡(more ¡on ¡this ¡later) ¡  e.g., ¡Math ¡library, ¡standard ¡C ¡library ¡ 5

Carnegie Mellon Why ¡Linkers? ¡(cont) ¡  Reason ¡2: ¡Efficiency ¡  Time: ¡Separate ¡compila0on ¡  Change ¡one ¡source ¡file, ¡compile, ¡and ¡then ¡relink. ¡  No ¡need ¡to ¡recompile ¡other ¡source ¡files. ¡  Space: ¡Libraries ¡ ¡  Common ¡func0ons ¡can ¡be ¡aggregated ¡into ¡a ¡single ¡file... ¡  Yet ¡executable ¡files ¡and ¡running ¡memory ¡images ¡contain ¡only ¡ code ¡for ¡the ¡func0ons ¡they ¡actually ¡use. ¡ 6

Carnegie Mellon What ¡Do ¡Linkers ¡Do? ¡  Step ¡1. ¡Symbol ¡resolu7on ¡  Programs ¡define ¡and ¡reference ¡ symbols ¡(variables ¡and ¡func0ons): ¡  void swap() {…} /* define symbol swap */  swap(); /* reference symbol a */  int *xp = &x; /* define symbol xp, reference x */ ¡  Symbol ¡defini0ons ¡are ¡stored ¡(by ¡compiler) ¡in ¡ symbol ¡table . ¡  Symbol ¡table ¡is ¡an ¡array ¡of ¡structs ¡  Each ¡entry ¡includes ¡name, ¡size, ¡and ¡loca0on ¡of ¡symbol. ¡  Linker ¡associates ¡each ¡symbol ¡reference ¡with ¡exactly ¡one ¡symbol ¡defini0on. ¡ 7

Carnegie Mellon What ¡Do ¡Linkers ¡Do? ¡(cont) ¡  Step ¡2. ¡Reloca7on ¡  Merges ¡separate ¡code ¡and ¡data ¡sec0ons ¡into ¡single ¡sec0ons ¡  Relocates ¡symbols ¡from ¡their ¡rela0ve ¡loca0ons ¡in ¡the ¡ .o ¡files ¡to ¡ their ¡final ¡absolute ¡memory ¡loca0ons ¡in ¡the ¡executable. ¡  Updates ¡all ¡references ¡to ¡these ¡symbols ¡to ¡reflect ¡their ¡new ¡ posi0ons. ¡ 8

Carnegie Mellon Three ¡Kinds ¡of ¡Object ¡Files ¡(Modules) ¡  Relocatable ¡object ¡file ¡( .o ¡file) ¡  Contains ¡code ¡and ¡data ¡in ¡a ¡form ¡that ¡can ¡be ¡combined ¡with ¡other ¡ relocatable ¡object ¡files ¡to ¡form ¡executable ¡object ¡file. ¡  Each ¡ .o ¡file ¡is ¡produced ¡from ¡exactly ¡one ¡source ¡( .c ) ¡file ¡  Executable ¡object ¡file ¡( a.out ¡file) ¡  Contains ¡code ¡and ¡data ¡in ¡a ¡form ¡that ¡can ¡be ¡copied ¡directly ¡into ¡ memory ¡and ¡then ¡executed. ¡  Shared ¡object ¡file ¡( .so file) ¡  Special ¡type ¡of ¡relocatable ¡object ¡file ¡that ¡can ¡be ¡loaded ¡into ¡ memory ¡and ¡linked ¡dynamically, ¡at ¡either ¡load ¡0me ¡or ¡run-­‑0me. ¡  Called ¡ Dynamic ¡Link ¡Libraries ¡(DLLs) ¡by ¡Windows ¡ 9

Carnegie Mellon Executable ¡and ¡Linkable ¡Format ¡(ELF) ¡  Standard ¡binary ¡format ¡for ¡object ¡files ¡  Originally ¡proposed ¡by ¡AT&T ¡System ¡V ¡Unix ¡  Later ¡adopted ¡by ¡BSD ¡Unix ¡variants ¡and ¡Linux ¡  One ¡unified ¡format ¡for ¡ ¡  Relocatable ¡object ¡files ¡( .o ), ¡ ¡  Executable ¡object ¡files ¡ (a.out ) ¡  Shared ¡object ¡files ¡( .so ) ¡  Generic ¡name: ¡ELF ¡binaries ¡ 10

Carnegie Mellon ELF ¡Object ¡File ¡Format ¡  Elf ¡header ¡  Word ¡size, ¡byte ¡ordering, ¡file ¡type ¡(.o, ¡ 0 ¡ exec, ¡.so), ¡machine ¡type, ¡etc. ¡ ELF ¡header ¡  Segment ¡header ¡table ¡ Segment ¡header ¡table ¡ (required ¡for ¡executables) ¡  Page ¡size, ¡virtual ¡addresses ¡memory ¡segments ¡ (sec0ons), ¡segment ¡sizes. ¡ .text ¡sec7on ¡  .text ¡sec7on ¡ .rodata ¡sec7on ¡  Code ¡ .data ¡sec7on ¡  .rodata sec7on ¡ .bss ¡sec7on ¡  Read ¡only ¡data: ¡jump ¡tables, ¡... ¡ .symtab sec7on ¡  .data ¡sec7on ¡ .rel.txt sec7on ¡  Ini0alized ¡global ¡variables ¡ .rel.data sec7on ¡  .bss ¡sec7on ¡ .debug sec7on ¡  Unini0alized ¡global ¡variables ¡ Sec7on ¡header ¡table ¡  “Block ¡Started ¡by ¡Symbol” ¡  “BeKer ¡Save ¡Space” ¡  Has ¡sec0on ¡header ¡but ¡occupies ¡no ¡space ¡ 11

Carnegie Mellon ELF ¡Object ¡File ¡Format ¡(cont.) ¡  .symtab ¡sec7on ¡ 0 ¡  Symbol ¡table ¡ ELF ¡header ¡  Procedure ¡and ¡sta0c ¡variable ¡names ¡ Segment ¡header ¡table ¡  Sec0on ¡names ¡and ¡loca0ons ¡ (required ¡for ¡executables) ¡  .rel.text ¡sec7on ¡ .text ¡sec7on ¡  Reloca0on ¡info ¡for ¡ .text ¡ sec0on ¡ .rodata ¡sec7on ¡  Addresses ¡of ¡instruc0ons ¡that ¡will ¡need ¡to ¡be ¡ modified ¡in ¡the ¡executable ¡ .data ¡sec7on ¡  Instruc0ons ¡for ¡modifying. ¡ .bss ¡sec7on ¡  .rel.data ¡sec7on ¡ .symtab sec7on ¡  Reloca0on ¡info ¡for ¡ .data ¡ sec0on ¡ .rel.txt sec7on ¡  Addresses ¡of ¡pointer ¡data ¡that ¡will ¡need ¡to ¡be ¡ modified ¡in ¡the ¡merged ¡executable ¡ .rel.data sec7on ¡  .debug ¡sec7on ¡ .debug sec7on ¡  Info ¡for ¡symbolic ¡debugging ¡( gcc -g ) ¡ Sec7on ¡header ¡table ¡  Sec7on ¡header ¡table ¡  Offsets ¡and ¡sizes ¡of ¡each ¡sec0on ¡ 12

Carnegie Mellon Linker ¡Symbols ¡ ¡  Global ¡symbols ¡  Symbols ¡defined ¡by ¡module ¡ m ¡that ¡can ¡be ¡referenced ¡by ¡other ¡modules. ¡  E.g.: ¡non-­‑ static ¡C ¡func0ons ¡and ¡non-­‑ static ¡global ¡variables. ¡  External ¡symbols ¡  Global ¡symbols ¡that ¡are ¡referenced ¡by ¡module ¡ m ¡but ¡defined ¡by ¡some ¡ other ¡module. ¡  Local ¡symbols ¡  Symbols ¡that ¡are ¡defined ¡and ¡referenced ¡exclusively ¡by ¡module ¡ m . ¡  E.g.: ¡C ¡func0ons ¡and ¡variables ¡defined ¡with ¡the ¡ static aKribute. ¡  Local ¡linker ¡symbols ¡are ¡ not ¡local ¡program ¡variables ¡ 13

Carnegie Mellon Resolving ¡Symbols ¡ Global ¡ External ¡ Local ¡ Global ¡ int buf[2] = {1, 2}; extern int buf[]; int main() int *bufp0 = &buf[0]; { static int *bufp1; swap(); Global ¡ return 0; void swap() } { main.c int temp; External ¡ Linker ¡knows ¡ bufp1 = &buf[1]; nothing ¡of ¡temp ¡ temp = *bufp0; *bufp0 = *bufp1; *bufp1 = temp; } swap.c 14

Carnegie Mellon Reloca7ng ¡Code ¡and ¡Data ¡ Relocatable ¡Object ¡Files ¡ Executable ¡Object ¡File ¡ .text 0 ¡ System ¡code ¡ Headers ¡ .data System ¡data ¡ System ¡code ¡ main() .text main.o swap() .text main() More ¡system ¡code ¡ .data int buf[2]={1,2} System ¡data ¡ .data swap.o int buf[2]={1,2} int *bufp0=&buf[0] .text swap() .bss int *bufp1 .data .symtab int *bufp0=&buf[0] .debug static int *bufp1 .bss Even ¡though ¡private ¡to ¡swap, ¡requires ¡alloca7on ¡in ¡.bss ¡ 15