函式庫插入與目的檔工具 (Library Interpositioning & Tools)

Overview Table

7.13 函式庫插入 (Library Interpositioning) (p.743)

Linux 連結器支援一種強大技術 library interpositioning:攔截對 shared library 函式的呼叫、改為執行你自己的程式碼。應用場景:

• 追蹤某函式庫函式被呼叫的次數
• 驗證/追蹤函式的輸入輸出值
• 甚至完全替換成不同的實作(例如換掉 malloc 的配置策略)

基本想法:針對要插入的 target function,建立一個 prototype 完全相同的 wrapper function,再用某種插入機制「騙」系統去呼叫 wrapper 而非 target。wrapper 通常執行自己的邏輯 → 呼叫 target → 把回傳值傳回呼叫者。

呼叫者 (caller)
    │  call malloc(32)          ← 呼叫者以為在呼叫 target
    ▼
┌─────────────────────────┐
│  Wrapper function        │  1. 執行自己的邏輯(如印 trace)
│  (prototype 與 target    │  2. 呼叫真正的 target function
│   完全相同)              │  3. 回傳 target 的回傳值
└───────────┬─────────────┘
            │  call (real) malloc
            ▼
┌─────────────────────────┐
│  Target function         │  libc.so 中真正的 malloc
└─────────────────────────┘

插入可發生在三個時間點:compile time、link time、run time(程式載入執行時)。書中以 int.c 為執行範例:呼叫 malloc(32) 從 heap 配置 32 bytes,再 free(p) 歸還,目標是追蹤這兩個呼叫 (p.744-745)。

7.13.1 Compile-Time 插入 (p.744-745)

利用 C preprocessor 在編譯時替換呼叫。本地 malloc.h 用巨集把 target 換成 wrapper:

/* 本地 malloc.h */
#define malloc(size) mymalloc(size)
#define free(ptr)    myfree(ptr)

void *mymalloc(size_t size);
void myfree(void *ptr);

wrapper(mymalloc.c,#ifdef COMPILETIME 區塊)呼叫真正的 malloc、印出 trace、回傳:

linux> gcc -DCOMPILETIME -c mymalloc.c
linux> gcc -I. -o intc int.c mymalloc.o

• 插入的關鍵是 -I.:告訴 preprocessor 先在目前目錄尋找 malloc.h,才找系統目錄 → int.c 引到的是本地(巨集替換版)的 malloc.h
• wrapper 本身 (mymalloc.c) 則用標準 malloc.h 編譯,所以它內部的 malloc 呼叫不會被替換
• 執行 ./intc 得到 trace:malloc(32)=0x9ee010 / free(0x9ee010)

7.13.2 Link-Time 插入 (p.744-746)

Linux 靜態連結器支援 --wrap f 旗標,改寫符號解析規則:

wrapper(#ifdef LINKTIME 區塊)長這樣:

void *__wrap_malloc(size_t size)
{
    void *ptr = __real_malloc(size);  /* 呼叫 libc malloc */
    printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
    return ptr;
}

編譯與連結:

linux> gcc -DLINKTIME -c mymalloc.c
linux> gcc -c int.c
linux> gcc -Wl,--wrap,malloc -Wl,--wrap,free -o intl int.o mymalloc.o

• -Wl,option 把 option 傳給連結器,option 中每個逗號被替換為空格:-Wl,--wrap,malloc → 傳給 linker 的是 --wrap malloc
• 符號解析流程:int.o 的 malloc 參考 → __wrap_malloc;__wrap_malloc 內的 __real_malloc 參考 → 真正的 malloc

int.o: call malloc ──--wrap 改寫──▶ __wrap_malloc (mymalloc.o)
                                        │
                                        │ call __real_malloc
                                        ▼
                              ──--wrap 改寫──▶ malloc (libc)

7.13.3 Run-Time 插入 (p.746-748)

只需可執行檔即可插入,機制建立在動態連結器的 LD_PRELOAD 環境變數上:

• LD_PRELOAD 設為一串 shared library 路徑(以空格或冒號分隔)時,載入執行程式時,dynamic linker (ld-linux.so) 會先搜尋 LD_PRELOAD 中的函式庫、才搜尋其他 shared libraries 來解析未定義參考
• 因此可以對任何可執行檔中任何 shared library(包括 libc.so)的任何函式插入

wrapper(#ifdef RUNTIME 區塊)直接命名為 malloc,並用 dlsym(RTLD_NEXT, "malloc") 取得下一個(即 libc 真正的)malloc 位址,避免無限遞迴:

#define _GNU_SOURCE
#include <dlfcn.h>

void *malloc(size_t size)
{
    void *(*mallocp)(size_t size);
    char *error;

    mallocp = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); /* 取得 libc malloc 位址 */
    if ((error = dlerror()) != NULL) {
        fputs(error, stderr);
        exit(1);
    }
    char *ptr = mallocp(size);            /* 呼叫 libc malloc */
    printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
    return ptr;
}

建置與執行:

linux> gcc -DRUNTIME -shared -fpic -o mymalloc.so mymalloc.c -ldl
linux> gcc -o intr int.c
linux> LD_PRELOAD="./mymalloc.so" ./intr        # bash
linux> (setenv LD_PRELOAD "./mymalloc.so"; ./intr; unsetenv LD_PRELOAD)  # csh/tcsh

• wrapper library 必須以 -shared -fpic 建成 PIC 的 shared library,並以 -ldl 連結 dlopen 介面(參見 07-Linking/03-Executable-Loading-and-Dynamic-Linking)
• 書中示範 LD_PRELOAD="./mymalloc.so" /usr/bin/uptime:可對現成的系統程式插入,追蹤到 uptime 內部十多次 malloc/free 呼叫 (p.747)

LD_PRELOAD="./mymalloc.so" ./intr

載入時 dynamic linker 解析 intr 的未定義參考:
  搜尋順序:  mymalloc.so  ──▶  libc.so  ──▶  其他 shared libs
              (LD_PRELOAD    (之後才輪到)
               優先)
  ⇒ intr 的 malloc 綁定到 mymalloc.so 的 wrapper
  wrapper 內以 dlsym(RTLD_NEXT,"malloc") 找「搜尋順序中的下一個」
  ⇒ 綁定到 libc.so 的真 malloc

三種插入機制比較表

7.14 操作目的檔的工具 (p.749)

GNU binutils 套件在所有 Linux 平台皆可用,協助理解與操作 object files:

7.15 章節總結 (p.749-750)

• 連結可在 compile time 由 static linker 執行,或在 load time / run time 由 dynamic linker 執行
• 連結器操作的二進位檔稱 object files,共三種形式:relocatable、executable、shared
• 連結器兩大任務:
  1. Symbol resolution:把 object file 中每個 global symbol 綁定到唯一定義
  2. Relocation:決定每個 symbol 的最終記憶體位址,並修改對這些物件的參考
• static linker 由 compiler driver(如 gcc)呼叫,把多個 relocatable object files 合併成一個 executable object file;多個檔案定義同名符號時,連結器默默解析多重定義的規則可能引入微妙的 bug(參見 07-Linking/02-Symbol-Resolution-and-Relocation)
• 多個 object files 可打包成 static library;許多連結器採由左至右循序掃描解析符號參考,是另一個造成困惑的連結期錯誤來源
• Loader 把 executable file 內容映射到記憶體並執行;對部分連結的執行檔,loader 在載入時呼叫 dynamic linker,由它載入 shared library 並 relocate 程式中的參考,完成連結
• 以 position-independent code (PIC) 編譯的 shared libraries 可載入到任意位置,並在執行期由多個 processes 共享;應用程式也可在執行期透過 dynamic linker(dlopen 介面)載入、連結並存取 shared libraries 的函式與資料

Exam/Test Patterns

Related Notes

• 07-Linking/01-Static-Linking-and-Object-Files
• 07-Linking/02-Symbol-Resolution-and-Relocation
• 07-Linking/03-Executable-Loading-and-Dynamic-Linking
• 07-Linking/Practice-Linking
• 09-Virtual-Memory/05-Dynamic-Memory-Allocation
• 09-Virtual-Memory/04-Memory-Mapping