前言
ELF格式的.gnu.hash節(jié)在設(shè)計上比較復(fù)雜，直接從glibc源碼進行分析的難度也比較大。今天靜下心來看了這篇精彩的文章，終于將布隆濾波器、算數(shù)運算轉(zhuǎn)為位運算等一系列細節(jié)搞懂了（值得一提的是，這篇博客十分值得花一些時間讀懂，它不僅對總體有一個較好的描述，而且還涉及了許多有益的實現(xiàn)細節(jié)）。但本人愚鈍異常，沒有一個完整的walkthrough就不能覺得自己真的搞懂了一個東西。所以本文從查找一個符號的真實情況出發(fā)，把ELF格式是如何組織一個符號，以及動態(tài)鏈接器如何讀取并處理這些信息以進行符號查詢的全過程詳細地講清楚。
本文假定讀者已經(jīng)讀過上文中提到的博客，并理解布隆濾波器，GNU hash采用的單一哈希策略，把取模轉(zhuǎn)為取與這些名詞。在后續(xù)有時間時我可能會對它們進行簡單介紹，但珠玉在前讓人確實不想獻丑。
本文的實現(xiàn)以及so文件均以glibc 2.31為準(zhǔn)。
符號哈希，符號表與字符表
一個符號的相關(guān)信息會在ELF文件中dynamic section的三塊出現(xiàn)：.gnu.hash對應(yīng)的符號哈希，.dynsym對應(yīng)的動態(tài)符號表，.dynstr對應(yīng)的字符表。在查找符號時，動態(tài)鏈接器首先從.gnu.hash中進行查詢，得到該符號在動態(tài)符號表中的偏移。動態(tài)鏈接器根據(jù)這個偏移讀出一個符號，并找到這個符號的名字在字符表中的偏移。從字符表中讀出符號的名稱如果與要查找的符號匹配，則找到了這個符號，再從符號表中讀出符號的相關(guān)信息并返回。
64位ELF格式的符號定義如下：
// in elf.h>
typedef struct
{
// 32 bits
Elf64_Word st_name; /* Symbol name (string tbl index) */
// 8 bit
unsigned char st_info; /* Symbol type and binding */
// 8 bit
unsigned char st_other; /* Symbol visibility */
// 16 bits
Elf64_Section st_shndx; /* Section index */
// 64 bits
Elf64_Addr st_value; /* Symbol value */
// 64 bits
Elf64_Xword st_size; /* Symbol size */
} Elf64_Sym;
這個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)占用內(nèi)存的大小為24B，這也是合理安排成員順序以節(jié)約文件大小的一個例子。
.gnu.hash的結(jié)構(gòu)
glibc使用如下函數(shù)從ELF文件中讀取符號哈希相關(guān)信息：
// in elf/dl-lookup.c
void
_dl_setup_hash (struct link_map *map)
{
Elf_Symndx *hash;
if (__glibc_likely (map->l_info[ELF_MACHINE_GNU_HASH_ADDRIDX] != NULL))
{
// 一個指向32位長內(nèi)存的指針，用來讀取哈希相關(guān)變量，故名hash32
Elf32_Word *hash32
= (void *) D_PTR (map, l_info[ELF_MACHINE_GNU_HASH_ADDRIDX]);
map->l_nbuckets = *hash32++;
Elf32_Word symbias = *hash32++;
Elf32_Word bitmask_nwords = *hash32++;
/* Must be a power of two. */
assert ((bitmask_nwords (bitmask_nwords - 1)) == 0);
map->l_gnu_bitmask_idxbits = bitmask_nwords - 1;
map->l_gnu_shift = *hash32++;
map->l_gnu_bitmask = (ElfW(Addr) *) hash32;
hash32 += __ELF_NATIVE_CLASS / 32 * bitmask_nwords;
map->l_gnu_buckets = hash32;
hash32 += map->l_nbuckets;
map->l_gnu_chain_zero = hash32 - symbias;
/* Initialize MIPS xhash translation table. */
ELF_MACHINE_XHASH_SETUP (hash32, symbias, map);
return;
}
// 以下處理古老的DT_HASH項，現(xiàn)已不用
if (!map->l_info[DT_HASH])
return;
hash = (void *) D_PTR (map, l_info[DT_HASH]);//Q: what about some non-GNU ELFs
map->l_nbuckets = *hash++;
/* Skip nchain. */
hash++;
map->l_buckets = hash;
hash += map->l_nbuckets;
map->l_chain = hash;
}
上述代碼讀取了關(guān)鍵變量賦值：l_nbuckets，symbias，bitmask_nwords，l_gnu_shift，l_gnu_buckets，l_gnu_chain_zero。其中，以“l(fā)”開頭的變量存儲在ELF文件的link_map中，具體定義見link.h>。還有不是從文件中讀出的變量l_gnu_bitmask_idxbits，它們的具體含義為：
- l_nbuckets：使用哈希桶的數(shù)量
- symbias：動態(tài)符號表中外部不能訪問的符號數(shù)量，但它們?nèi)匀徽加昧藙討B(tài)符號表項
- bitmask_nwords：使用bitmask_nwords個字作為布隆濾波器的向量
- l_gnu_shift：為使用同一哈希函數(shù)實現(xiàn)k=2的布隆濾波器，需要右移的位數(shù)
- l_gnu_buckets：哈希桶的開始地址
- l_gnu_chain_zero：符號哈希值的開始地址
- l_gnu_bitmask_idxbits：為對bitmask_nwords取?；癁槿∨c，由bitmask_nwords-1而來
為了便于理解，將.gnu.hash節(jié)中的內(nèi)容畫成示意圖：
以libc為例。檢查對應(yīng)字段的值：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep .gnu.hash -A 5
Contents of section .gnu.hash:
38a0 (f3030000) (0c000000) (00010000) (0e000000) ................
->l_nbuckets=1011 ->symbias=12 ->bitmask_nwords=256 ->l_gnu_shift=14
38b0 (00301044 a0200201) (8803e690 c5458c00) .0.D. .......E..
->第一個bloom word 0x010220a044103000
38c0 c4005800 07840070 c280010d 8a0c4104 ..X....p......A.
38d0 10008840 32082a40 88543c2d 200e3248 ...@2.*@.T- .2H
38e0 2684c08c 04080002 020ea1ac 1a0666c8 .............f.
可以看到symbias=12，即有12個內(nèi)部符號：
$ readelf -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | head -n 20
Symbol table '.dynsym' contains 2367 entries:
Num: Value Size Type Bind Vis Ndx Name
0: 0000000000000000 0 NOTYPE LOCAL DEFAULT UND
1: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __libpthread_freeres
2: 0000000000000000 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT UND _rtld_global@GLIBC_PRIVATE (33)
3: 0000000000000000 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT UND __libc_enable_secure@GLIBC_PRIVATE (33)
4: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __tls_get_addr@GLIBC_2.3 (34)
5: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _dl_exception_create@GLIBC_PRIVATE (33)
6: 0000000000000000 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT UND _rtld_global_ro@GLIBC_PRIVATE (33)
7: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND __tunable_get_val@GLIBC_PRIVATE (33)
8: 0000000000000000 0 FUNC GLOBAL DEFAULT UND _dl_find_dso_for_object@GLIBC_PRIVATE (33)
9: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND _dl_starting_up
10: 0000000000000000 0 NOTYPE WEAK DEFAULT UND __libdl_freeres
11: 0000000000000000 0 OBJECT GLOBAL DEFAULT UND _dl_argv@GLIBC_PRIVATE (33)
12: 00000000000ab970 33 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 __strspn_c1@GLIBC_2.2.5
13: 0000000000089260 352 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 putwchar@@GLIBC_2.2.5
14: 00000000001324f0 20 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 __gethostname_chk@@GLIBC_2.4
15: 00000000000ab9a0 44 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 __strspn_c2@GLIBC_2.2.5
16: 000000000014f580 218 FUNC GLOBAL DEFAULT 16 setrpcent@@GLIBC_2.2.5
可見符號0-11為內(nèi)部符號。
查找符號
下面以查找符號printf為例，介紹符號查找的過程。
首先使用下面的哈希函數(shù)生成符號的32位哈希：
// in elf/dl-lookup.c
static uint_fast32_t
dl_new_hash (const char *s)
{
uint_fast32_t h = 5381;
for (unsigned char c = *s; c != '\0'; c = *++s)
h = h * 33 + c;
return h 0xffffffff;
}
得到printf的哈希值為0x156b2bb8。
隨后計算布隆濾波器需要的兩個hashbit：
unsigned int hashbit1 = new_hash (__ELF_NATIVE_CLASS - 1);
unsigned int hashbit2 = ((new_hash >> l->l_gnu_shift) (__ELF_NATIVE_CLASS - 1));
得到hashbit1 = 56，hashbit2 = 44。
找到該hash對應(yīng)的bloom word：
const Elf64_Addr *bitmask = l->l_gnu_bitmask;
// l->l_gnu_bitmask_idxbits = bitmask_nwords - 1，將取模變?yōu)槿∨c
// (new_hash / __ELF_NATIVE_CLASS) l->l_gnu_bitmask_idxbits = 174
Elf64_Addr bitmask_word = bitmask[(new_hash / __ELF_NATIVE_CLASS) l->l_gnu_bitmask_idxbits];
printf對應(yīng)的hash在第174個bloom word處，它的值位于bloom word的開始地址0x38b0+174*8=3e20
檢查3e20處對應(yīng)的值：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep " 3e20 "
3e20 d0884a41 c0703429 10ec4303 92003103 ..JA.p4)..C...1.
其bloom word為0x293470c0414a88d0。
將其右移56位：0b0010 1001
將其右移44位：0b10 1001 0011 0100 0111
二者的最后一位均為1，說明布隆濾波器不能拒絕這個哈希值。
這時在對應(yīng)的哈希桶上進行尋找：
Elf32_Word bucket = l->l_gnu_buckets[new_hash % l->l_nbuckets];
由于0x156b2bb8 % 1011 = 295，需要找到第296個哈希桶。
而哈希桶的起始地址為l_gnu_bitmask + 64 / 32 * bitmask_nwords = 0x40b0，對應(yīng)哈希桶的地址為0x40b0+295*4=0x454c。
查看0x454c處對應(yīng)的哈希桶內(nèi)容：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep " 4540 "
4540 77020000 00000000 7a020000 **7c020000** w.......z...|...
哈希桶的內(nèi)容為0x27c。
而l_gnu_chain_zero的地址為：
l_gnu_chain_zero = l_gnu_buckets + l_nbuckets - symbias;
可計算出l_gnu_chain_zero的地址為0x504c，所以第296個哈希桶包含的真正哈希位于0x504c+27c*4=0x5a3c
查看具體的哈希內(nèi)容：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep " 5a30 " -A 2
5a30 ade8dbbb 142dcb13 bb86f85f e6952000 .....-....._.. .
5a40 **b82b6b15** 0a05f1d5 deb6427f 856177fd .+k.......B..aw.
5a50 1ae585e7 ec296fa8 1ae585e7 29ce248f .....)o.....).$.
于0x5a40處找到我們之前計算的哈希0x156b2bb8（注意小端序）。
此時，這個符號在.gnu.hash的下標(biāo)，就是它在動態(tài)符號表中的(下標(biāo)-symbias)。但由于之前l(fā)_gnu_chain_zero已經(jīng)整體減掉了symbias，所以此處用該符號的地址減掉l_gnu_chain_zero可直接得到符號在符號表中的下標(biāo)。
0x5a40 - 0x504c = 0x9f4 = 2548，由于一個哈希值為4字節(jié)，故下標(biāo)為2548 / 4 = 637
找到動態(tài)符號表的起始地址：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep .dynsym -A 1
Contents of section .dynsym:
07548 00000000 00000000 00000000 00000000 ................
上文中提到，64位ELF文件中一個符號的長度位24字節(jié)，故符號在符號表上的起始地址應(yīng)當(dāng)為0x7548 + 24*637 = 0xb100
找到動態(tài)符號表對應(yīng)位置的內(nèi)容：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep " 0b0f8 " -A 1
0b0f8 16000000 00000000 **f3040000** 12001000 ................
0b108 104e0600 00000000 cc000000 00000000 .N..............
讀出符號在字符表上的偏移量為0x4f3。
找到字符表的起始地址：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep .dynstr -A 1
Contents of section .dynstr:
15330 00786472 5f755f6c 6f6e6700 5f5f7763 .xdr_u_long.__wc
起始地址為0x15330，故該符號的地址為0x15330 + 0x4f3 = 0x15823
讀出字符表對應(yīng)位置的值：
$ objdump -s /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 | grep " 15820 " -A 1
15820 494f5f**70** 72696e74 66007265 67697374 IO_printf.regist
15830 65725f70 72696e74 665f6675 6e637469 er_printf_functi
查找到了符號printf，它是IO_printf的別名，在字符表中為了節(jié)省空間將二者合并了。
這樣，就完成了一次符號查詢的全過程。
以上就是從實例分析ELF格式的.gnu.hash區(qū)與glibc的符號查找的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于ELF格式的.gnu.hash區(qū)與glibc的符號查找的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
