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名称

link – ダイナミックローダとリンクエディタインタフェース

内容

書式

#include <sys/types.h>
#include <nlist.h>
#include <link.h>

解説

インクルードファイル <link.h> では、ダイナミックにリンクされたプログラムやライブラリに含まれる 数種の構造体が宣言されています。 その構造体は、リンクエディタとローダ機構のいくつかの構成要素間の インタフェースを定義します。 バイナリ中でのこれらの構造体のレイアウトは 多くの点で a.out 形式に類似しており、 シンボル定義 (付随する文字列テーブルを含む) や外部エンティティへの参照を 解決するのに必要なリロケーションレコードといった、 よく似た機能を提供します。 それに加え、ダイナミックロードとリンク処理に固有のいくつかのデータ構造も 記録しています。このようなデータ構造としては、 リンクエディット処理を完結するのに必要な他のオブジェクトへの参照や、 異なるプロセス間でコードページの共有を進めるための 位置独立コード (Position Independent Code 略して PIC) を機能させるための 間接テーブルがあります。 ここで述べるデータ構造全体を ランタイムリロケーションセクション (RRS) と呼び、ダイナミックにリンクされるプログラムや共有オブジェクトの 標準テキスト及びデータセグメントに埋め込まれます。 これは、既存の a.out(5) 形式には RRS のための場所が他にないからです。

あるプログラムを実行可能とする処理が、 システムリソースの使用を最適化しつつ正しく完了するよう、 複数のユーティリティが協調して働きます。 コンパイラは PIC コードを出力し、 それから ld(1) によって共有ライブラリが作られます。 コンパイラはまた、初期化される各データアイテムのサイズ情報を アセンブラディレクティブ .size を用いて記録します。 PIC コードは、ある間接テーブルを通じてデータ変数にアクセスする点で 従来のコードと異なっています。 この表はグローバルオフセットテーブルと呼ばれ、 慣習によって、予約名 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ によってアクセス可能です。 ここで用いられるメカニズムの詳細は機種依存ですが、通常は そのマシンのレジスタ 1 本がこの用途に予約されます。 このような仕組みの背景にある合理性は、 実際のロードアドレスとは独立したコードを生成することです。 実行時には、アドレス空間において様々な共有オブジェクトがロードされるアドレス に応じて、グローバルオフセットテーブルに含まれる値のみ変更すればよいのです。

同様に、大域的に定義された関数の呼び出しは、 コアイメージのデータセグメント中に置かれている プロシージャリンケージテーブル (PLT) を通じて間接的に行われます。 これもまた、実行時にテキストセグメントを修正せずに済ませるためのものです。

リンクエディタがグローバルオフセットテーブルとプロシージャリンケージテーブルを 配置するのは、 複数の PIC オブジェクトファイルを結合して プロセスのアドレス空間にマップするのに適した 1 つのイメージにする時です。 リンクエディタはまた、実行時のリンクエディタが必要とする全てのシンボルを集め、 それらをイメージのテキストとデータのビット列と共にストアします。 もう 1 つの予約シンボル _DYNAMIC は、実行時のリンク構造が存在することを示すのに用いられます。 _DYNAMIC が 0 にリロケートされる場合は、実行時リンクエディタを起動する 必要はありません。 もし _DYNAMIC が非 0 なら、_DYNAMIC は、必要なリロケーション情報と シンボル情報の位置を引き出すことができるデータ構造を指しています。 これは特に、スタートアップモジュール crt0 で利用されます。 慣習として、_DYNAMIC 構造体は、 それが属するイメージのデータセグメントの最初に置かれます。

データ構造

ダイナミックリンクと実行時リロケーションをサポートするデータ構造は、 それらの処理の適用対象イメージのテキスト及びデータセグメントの 両方の中にあります。 テキストセグメントにはシンボル記述や名前といった読み取り専用データが含まれ、 他方データセグメントにはリロケーション処理で更新する必要のあるテーブル類が 含まれます。

シンボル _DYNAMIC は _dynamic 構造体を参照します:

struct  _dynamic {
        int     d_version;
        struct  so_debug *d_debug;
        union {
                struct section_dispatch_table *d_sdt;
        } d_un;
        struct  ld_entry *d_entry;
};
d_version
  このフィールドは異なったバージョンのダイナミックリンク実装用に 提供されています。 ld(1) 及び ld.so(1) が理解する現在のバージョン番号は、 SunOS 4.x リリースで用いられている LD_VERSION_SUN (3) と、 FreeBSD 1.1 以来使用されている LD_VERSION_BSD (8) です。
d_un
  d_version に応じたデータ構造を参照します。
so_debug
  このフィールドは、 共有オブジェクトのシンボルテーブルをアクセスするためのフックを デバッガに提供します。 この共有オブジェクトは、 実行時リンクエディタの処理の結果ロードされたものです。

section_dispatch_table 構造体がメインとなる "ディスパッチャ" テーブルであり、 イメージ内で様々なシンボル情報やリロケーション情報が置かれるセグメントへの オフセットを保持します。

struct section_dispatch_table {
        struct  so_map *sdt_loaded;
        long    sdt_sods;
        long    sdt_filler1;
        long    sdt_got;
        long    sdt_plt;
        long    sdt_rel;
        long    sdt_hash;
        long    sdt_nzlist;
        long    sdt_filler2;
        long    sdt_buckets;
        long    sdt_strings;
        long    sdt_str_sz;
        long    sdt_text_sz;
        long    sdt_plt_sz;
};

sdt_loaded
  ロードされた最初のリンクマップ (後述) へのポインタ。 このフィールドは ld.so によって設定されます。
sdt_sods
  この オブジェクトが必要とする共有オブジェクト記述子の (リンク) リストの先頭。
sdt_filler1
  使用しないで下さい (SunOS では ライブラリの検索ルールを指定するのに使用されていました)。
sdt_got
  このイメージ中でのグローバルオフセットテーブルの位置。
sdt_plt
  このイメージ中でのプロシージャリンケージテーブルの位置。
sdt_rel
  実行時のリロケーションを指定する relocation_info 構造体 ( a.out(5) 参照) の配列の位置。
sdt_hash
  このオブジェクトのシンボルテーブルでシンボル検索を高速化するための ハッシュテーブルの位置。
sdt_nzlist
  シンボルテーブルの位置。
sdt_filler2
  現在使用されていません。
sdt_buckets
  sdt_hash 中のバケット数。
sdt_strings
  sdt_nzlist に対応するシンボル文字列テーブルの位置。
sdt_str_sz
  文字列テーブルのサイズ。
sdt_text_sz
  このオブジェクトのテキストセグメントのサイズ。
sdt_plt_sz
  プロシージャリンケージテーブルのサイズ。

sod 構造体は、それを含むオブジェクトのリンクエディット処理を完了するのに 必要な共有オブジェクトを記述します。 そのようなオブジェクトのリスト ( sod_next で連結されます) は section_dispatch_table 構造体の sdt_sods によって指し示されます。

struct sod {
        long    sod_name;
        u_int   sod_library : 1,
                sod_reserved : 31;
        short   sod_major;
        short   sod_minor;
        long    sod_next;
};

sod_name
  このリンクオブジェクトを記述する文字列の、 テキストセグメントにおけるオフセット。
sod_library
  もし設定されていれば、 sod_nameld.so が検索することになるライブラリを指定します。 そのパス名は、あるディレクトリ群 ( ldconfig(8) 参照) で lib<sod_name>.so.n.m にマッチする共有オブジェクトを検索することで得られます。 もし設定されていなければ、 sod_name は希望する共有オブジェクトに対するフルパス名を指し示す必要があります。
sod_major
  ロードすべき共有オブジェクトのメジャーバージョン番号を指定します。
sod_minor
  ロードすべき共有オブジェクトの希望するマイナーバージョン番号を指定します。

プロセスのアドレス空間にロードされる共有オブジェクト全てを追跡するために、 実行時リンクエディタは リンクマップ と呼ばれる構造体のリストを管理しています。 これらの構造体は実行時にのみ用いられ、 実行可能ファイルや共有ライブラリのテキストあるいはデータセグメントには ありません。

struct so_map {
        caddr_t som_addr;
        char    *som_path;
        struct  so_map *som_next;
        struct  sod *som_sod;
        caddr_t som_sodbase;
        u_int   som_write : 1;
        struct  _dynamic *som_dynamic;
        caddr_t som_spd;
};
som_addr
  このリンクマップに対応する共有オブジェクトがロードされるアドレス。
som_path
  ロードされるオブジェクトのフルパス名。
som_next
  次のリンクマップへのポインタ。
som_sod
  この共有オブジェクトのロードをつかさどる sod 構造体。
som_sodbase
  最近のバージョンの実行時リンカでは捨てられています。
som_write
  このオブジェクトのテキストセグメント (の一部分) が現在書き込み可能である 場合にセットされます。
som_dynamic
  このオブジェクトの _dynamic 構造体へのポインタ。
som_spd
  実行時リンクエディタが管理するプライベートデータと連結するためのフック。

サイズ付きシンボル記述。 これは単に nlist 構造体にフィールド (nz_size) を 1 つ追加したものです。 共有オブジェクトのデータセグメントにあるアイテムの サイズ情報を伝達するのに用いられます。 この構造体の配列は共有オブジェクトのテキストセグメントに存在し、 そのアドレスは section_dispatch_tablesdt_nzlist フィールドで指定されます。

struct nzlist {
        struct nlist    nlist;
        u_long          nz_size;
#define nz_un           nlist.n_un
#define nz_strx         nlist.n_un.n_strx
#define nz_name         nlist.n_un.n_name
#define nz_type         nlist.n_type
#define nz_value        nlist.n_value
#define nz_desc         nlist.n_desc
#define nz_other        nlist.n_other
};
nlist
  ( nlist(3) 参照)。
nz_size
  このシンボルで表現されるデータのサイズ。

実行時のリンクエディットで行われるシンボル検索を高速化するため、 共有オブジェクトのテキストセグメントにハッシュテーブルが含まれています。 section_dispatch_tablesdt_hash フィールドは rrs_hash 構造体を指し示します:

struct rrs_hash {
        int     rh_symbolnum;           /* シンボル番号 */
        int     rh_next;                /* 次のハッシュエントリ */
};

rh_symbolnum
  共有オブジェクトのシンボルテーブル ( ld_symbols で与えられます) での当該シンボルのインデックス。
rh_next
  衝突が起きたとき、このフィールドはこのハッシュテーブルのバケットにおける 次のエントリのオフセットを保持します。 最終バケット要素の場合は 0 となります。
rt_symbol 構造体は、 実行時にアロケートされるコモン(commons)と 共有オブジェクトからコピーされるデータアイテムを 追跡するのに用いられます。 これらのアイテムはリンクリストで管理され、デバッガでの利用のために so_debug 構造体 (後述) 中の dd_cc フィールドによって公開されます。

struct rt_symbol {
        struct nzlist           *rt_sp;
        struct rt_symbol        *rt_next;
        struct rt_symbol        *rt_link;
        caddr_t                 rt_srcaddr;
        struct so_map           *rt_smp;
};

rt_sp
  シンボル記述。
rt_next
  次の rt_symbol の仮想アドレス。
rt_link
  ハッシュバケットにおける次の要素。 ld.so の内部で用いられます。
rt_srcaddr
  共有オブジェクト中での初期化済データのソース位置。
rt_smp
  この実行時シンボルが記述するデータの元のソースとなる共有オブジェクト。

so_debug 構造体は、 実行時リンクエディットの結果、当該プロセスのアドレス空間にロードされた あらゆる共有オブジェクトの情報を得るために、 デバッガによって利用されます。 実行時リンクエディタはプロセスの初期化処理の一部として実行されるため、 共有オブジェクトからシンボルにアクセスしようとするデバッガは、 crt0 からリンクエディタが呼ばれた後でのみそれが可能となります。 ダイナミックリンクされているバイナリは so_debug 構造体を持っています。この構造体の場所は _dynamic 中の d_debug フィールドで指示されます。

struct  so_debug {
        int     dd_version;
        int     dd_in_debugger;
        int     dd_sym_loaded;
        char    *dd_bpt_addr;
        int     dd_bpt_shadow;
        struct rt_symbol *dd_cc;
};

dd_version
  このインタフェースのバージョン番号。
dd_in_debugger
  当該プログラムがデバッガの制御下にあることを実行時リンカに知らせるために デバッガによってセットされます。
dd_sym_loaded
  共有オブジェクトをロードすることで実行時リンカがシンボルを追加した場合、 実行時リンカによってセットされます。
dd_bpt_addr
  デバッガに制御を移すために実行時リンカによってセットされる ブレークポイントアドレス。 このアドレスは、_main 呼び出しの前に、スタートアップモジュール crt0.o によってある適切な場所に決定されます。
dd_bpt_shadow
  アドレス dd_bpt_addr にあった元の機械命令を保持します。 デバッガは、プログラム実行を再開する前にこの機械命令を元に戻すことに なっています。
dd_cc
  デバッガが必要とする可能性のある、実行時にアロケートしたシンボルの リンクリストへのポインタ。

ld_entry 構造体は ld.so 中のサービスルーチン一式を定義します。

struct ld_entry {
        void    *(*dlopen)(char *, int);
        int     (*dlclose)(void *);
        void    *(*dlsym)(void *, char *);
        char    *(*dlerror)(void);
};

crt_ldso 構造体は、crt0 中のスタートアップコードと ld.so との間のインタフェースを定義します。

struct crt_ldso {
        int             crt_ba;
        int             crt_dzfd;
        int             crt_ldfd;
        struct _dynamic *crt_dp;
        char            **crt_ep;
        caddr_t         crt_bp;
        char            *crt_prog;
        char            *crt_ldso;
        struct ld_entry *crt_ldentry;
};
#define CRT_VERSION_SUN         1
#define CRT_VERSION_BSD_2       2
#define CRT_VERSION_BSD_3       3
#define CRT_VERSION_BSD_4       4
crt_ba
  crt0 によって ld.so がロードされた仮想アドレス。
crt_dzfd
  SunOS では、このフィールドは " /dev/zero" へのオープンされたファイル記述子を保持し、 0 クリアされたデマンドページを得ます。 FreeBSD ではこのフィールドは -1 を保持します。
crt_ldfd
  ld.so をロードするために crt0 が用いる、オープンされたファイル記述子 を保持します。
crt_dp
  main の _dynamic 構造体へのポインタ。
crt_ep
  環境文字列へのポインタ。
crt_bp
  メインプログラムがデバッガで実行される場合、 実行時リンカがブレークポイントを置くアドレス。 so_debug を参照してください。
crt_prog
  crt0 で決定されるメインプログラムの名前 (CRT_VERSION_BSD3 のみ)。
crt_ldso
  crt0 でマップされる実行時リンカのパス (CRT_VERSION_BSD4 のみ)。

hints_header 構造体及び hints_bucket 構造体は、通常 " /var/run/ld.so.hints" に置かれるライブラリヒントのレイアウトを定義します。 ライブラリヒントは、ファイルシステム中で共有オブジェクトイメージの在処を すばやく見つけるために ld.so によって利用されます。 ヒントファイルの構成は "a.out" とそれほど異なりません。つまりヒントファイルは、 固定長ハッシュバケットのオフセットとサイズを決定するためのヘッダと、 共通の文字列プールを持っています。

struct hints_header {
        long            hh_magic;
#define HH_MAGIC        011421044151
        long            hh_version;
#define LD_HINTS_VERSION_1      1
        long            hh_hashtab;
        long            hh_nbucket;
        long            hh_strtab;
        long            hh_strtab_sz;
        long            hh_ehints;
};
hh_magic
  ヒントファイルのマジックナンバ。
hh_version
  インタフェースのバージョン番号。
hh_hashtab
  ハッシュテーブルのオフセット。
hh_strtab
  文字列テーブルのオフセット。
hh_strtab_sz
  文字列テーブルのサイズ。
hh_ehints
  ヒントファイルで利用可能な最大オフセット。

/*
 * ヒントファイルのハッシュテーブル要素
 */
struct hints_bucket {
        int             hi_namex;
        int             hi_pathx;
        int             hi_dewey[MAXDEWEY];
        int             hi_ndewey;
#define hi_major hi_dewey[0]
#define hi_minor hi_dewey[1]
        int             hi_next;
};
hi_namex
  ライブラリを指定する文字列のインデックス。
hi_pathx
  ライブラリのフルパス名を表す文字列のインデックス。
hi_dewey
  共通ライブラリのバージョン番号。
hi_ndewey
  hi_dewey 中の有効エントリ数。
hi_next
  ハッシュ衝突の際の次のバケット。

警告

現在のところ、共有ライブラリ生成をサポートしているのは (GNU) C コンパイラ のみです。他のプログラミング言語では利用できません。

LINK (5) October 23, 1993

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The last good thing written in C was Franz Schubert's Symphony #9.
— Erwin Dietrich