一文搞懂linux的库打桩

Linux下的链接器支持一个强大的库打桩（library interpositioning），允许你拦截对系统标准库中某个目标函数的调用，取而代之执行自己的包装函数。它可以给我们带来两个好处，一是通过添加某些语句，可以追踪自己的程序对某些库函数的调用情况；二是可以在你自己的程序中，对某些库函数偷天换日，替换成一个完全不同的实现。

打桩可以发生在编译，链接和运行的任意一个阶段，相应的代码编写和编译也有一些区别，下文将分别做一阐述：

**需求：**假设需要在主程序myprog.c中跟踪对库函数malloc和free的使用情况。

1.编译时打桩

1.1 建立包装函数

建立mymalloc.c文件,定义需要的包装函数mymalloc和myfree.

#ifdef COMPILETIME
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

//定义malloc 包装函数
void *mymalloc(size_t size)
{
   
  void *ptr = malloc(size);
  printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
  return ptr;
}

//定义free 包装函数
void *myfree(void *ptr)
{
   
  free(ptr);
  printf("free(%p) = %p\n",  ptr);
}

#endif

1.2 建立头文件malloc.h

该文件向预处理器指明用mymalloc.c中的包装函数替换库里的目标函数

#define malloc(size) mymalloc(size)
#define free(ptr) myfree(ptr)

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

1.3 建立自己的程序文件

建立文件myprog.c,并在其中正常调用malloc函数.

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main(void)
{
 int *p = malloc(32);
 free(p);
 return 0;
}

1.4 编译链接

gcc -DCOMPILETIME -c mymalloc.c
gcc -I. -o myprog myprog.c mymalloc.c

-I.:指示C预处理器在搜索通常的系统目录前,先在当前目录中查找malloc.h

1.5 运行结果

./myprog
malloc(32) = 0x9ee010
free(0x9ee010)

2.链接时打桩

linux利用静态链接器完成库打桩。先看它的一个命令行参数:

–wrap f：指示链接器把对符号f的引用解析成**__wrap_f**，把对**__real_f的引用解析成符号f**。
此处f代表任意的库函数名或变量名
-Wl,option：将option传递给链接器， option中的每个逗号都要用空格来替换。

2.1 建立包装函数

创建mymalloc.c文件,定义需要的包装函数.

#ifdef LIKETIME
#include <stdio.h>

void *__real_malloc(size_t size);
void __real_free(void *ptr);

//定义malloc 包装函数
void *__wrap_malloc(size_t size)
{
   
  void *ptr = *__real_malloc(size);    //调用标准库里的malloc
  printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
  return ptr;
}

//定义free 包装函数
void *__wrap_free(void *ptr)
{
   
  __real_free(ptr);     //调用标准库里的free
  printf("free(%p) = %p\n",  ptr);
}

#endif

2.2 建立自己的程序文件

建立文件myprog.c,并在其中正常调用malloc函数.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
 int *p = malloc(32);
 free(p);
 return 0;
}

2.3 编译链接

gcc -DLINKTIME -c mymalloc.c
gcc  -c myprog.c
gcc -Wl,--wrap,malloc  -Wl,--wrap,free -o myprog myprog.o mymalloc.o

-Wl,option:将option传递给链接器。 option中的每个逗号都要用空格来替换，所以-Wl,--wrap,malloc意味着把--wrap malloc传递给链接器。

2.4 运行结果

./myprog
malloc(32) = 0x18cf010
free(0x18cf010)

3 运行时打桩

编译时打桩需要访问程序的源代码，而链接时需要访问可重定位目标文件。那有没有一种办法让仅仅访问可执行目标就能达到同样的目的呢？我们可以利用基于动态链接器的LD_PRELOAD环境变量来实现。

当你将LD_PRELOAD环境变量设置为一个共享路径名的列表（以空格或分号分开），那么在运行一个程序时，动态链接器（LD-LINUX.SO）会先搜索列表里的库，然后才搜素系统其它库。

利用这个原理，你可以对任何共享库中的任何函数打桩，包括libc.so。

3.1 建立包装函数文件

下面建立mymalloc.c文件，其中定义了malloc和free的包装函数。每个包装函数中，利用dlsym调用libc中的标准函数。

#ifdef RUNTIME
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>

//定义malloc 包装函数
void *malloc(size_t size)
{
   
  void *(*mallocp)(size_t size);

  //获得libc中malloc函数的地址
  if( !(mallocp = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc")) ){
     
    fputs(dlerror());
    exit(1);
  }

  char *ptr = *mallocp(size);  //利用函数指针间接调用libc中的malloc函数
  printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
  return ptr;
}


//定义free 包装函数
void *free(void *ptr)
{
   
  void (*free)(void *) = NULL;
  if(!ptr)
    return;

  //获得libc中free函数的地址
  if( !(freep = dlsym(RTLD_NEXT, "free")) ){
     
    fputs(dlerror());
    exit(1);
  }

  *freep(ptr);  //利用函数指针间接调用libc中的free函数
  printf("free(%p)\n",  ptr);
 }

#endif

3.2 建立自己的程序文件

建立文件myprog.c,并在其中正常调用malloc函数.

#include <stdio.h>

int main(void)
{
 int *p = malloc(32);
 free(p);
 return 0;
}

3.3 编译包含包装函数的共享库

  gcc -DRUNTIME -shared -fpic -o mymalloc.so mymalloc.c -ldl

-fpic：（position independent code）指示生成位置无关的目标文件;编译共享库时该参数为必选！
-DRUNTIME：在命令行中定义宏定义RUNTIME，为了与文件头部ifdef RUNTIME呼应。
-shared：指示编译器生成一个共享目标文件。
-ldl：指示链接器链接到libdl.so 共享库。

3.4 编译与运行主程序

  gcc -o myprog myprog.c    //编译

在bash中运行,及其结果：

  LD_PRELOAD="./mymalloc.so" ./myprog

结果如下

  malloc(32) = 0x1bf7010
  free(0x1bf7010)

在csh或tcsh中运行方法：

（setenv LD_PRELOAD "./mymalloc.so";  ./myprog;  unsetenv LD_PRELOAD）

结果如下

  malloc(32) = 0x2157010
  free(0x2157010)

4. 拓展

GNU binutils包有许多实用的工具特别有帮助，而且可以运行在每一个Linux平台上。

AR: 创建静态库，插入/删除/列出和提取成员函数。
STRINGS:列出目标文件中所有可打印字符串；
STRIP:从目标文件中删除符号表信息；
NM: 列出目标文件中符号表中定义的符号；
SIZE:列出目标文件中各段的大小；
READELF:显示目标文件的完整结构，包括ELF头中编码的所有信息。包含了NM和SIZE的作用；
OBJDUMP:显示目标文件中所有的信息，最大的左右是反汇编.text段中的二进制指令成汇编指令。
LDD:列出可执行文件运行时需要的所有共享库。

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