Einführung in die Systemprogrammierung

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1 Einführung in die Systemprogrammierung Dynamische Programmbibliotheken Prof. Dr. Christoph Reichenbach Fachbereich 12 / Institut für Informatik 28. Mai 2015

2 Dynamische Programmbibliotheken Idee: Programm und dynamische Programmbibliotheken werden vom Lader gebunden Fähigkeiten: Aktualisierung der Bibliotheken getrennt von Programmen Nachladen von Bibliotheken zur Laufzeit Wiederverwertung zwischen gleichzeitig laufenden Programmen durch virtuellen Speicher (nur eine Kopie in physikalischem Speicher)

3 Assemblercode bis Ausführung (Dyn. Bibliotheken) Bibliothek.a.so.dll Assembler- Programm.s.asm Assembler Objektdatei.o.obj Binder Binärprogramm.exe Lader Ausführung. Assembler- Programm.s.asm Assembler Objektdatei.o.obj

4 Dynamische Bibliothekstypen: Beispiele a.out: PDP-7, Linux (alt) ELF: UNIX (inkl. Linux, OS X) DLL: Win32 Traditionelles Binden: zu langsam

5 Dynamische Programmbibliotheken: a.out Bibliothek getrennt in Einsprungtabelle Implementierungen Implementierungen traditionell gebunden Subroutinen liegen in festem Speicherbereich Bei Änderung in Bibliothek: Exakte Adresse von Subroutinen kann sich ändern Funktionsaufruf springt an feste Adresse in Einsprungtabelle Einsprungadresse: j exakte_adresse Einsprungtabelle springt direkt zu Implementierung

6 Eigenschaften von a.out Vorteile: Ähnlich effizient wie statische Bibliotheken Nachteile: Befehle können bei Änderung der Bibliothek nicht entfernt, nur hinzugefügt werden Komplexe Wartung der Einsprungtabellen nötig Feste virtuelle Speicheradresse für Bibliotheken nötig Konflikte zwischen Bibliotheken Lösung: Positionsabhängiger Code

7 Positionsunabhängige Bibliotheken Idee: Bibliotheken werden an vorher unbekannte virtuelle Adressen geladen Konflikte zwischen Speicherbereichen der Bibliotheken können leicht aufgelöst werden Alle Zugriffe auf relozierbare Symbole müssen indirekt durchgeführt werden Kein j, jal (absolute Adresse!) Müssen indirekt mit jr, jalr arbeiten Positionsunabhängiger Code (PIC, position-independent code)

8 Dynamische Programmbibliotheken: ELF Alle Funktionsaufrufe indirekt durch Prozedurbindungstabelle PLT (procedure linkage table) Datenzugriffe indirekt durch globale Objekttabelle GOT (global offset table) Beim Laden: GOT/PLT reloziert PLT-Zugriffe können nach Bedarf (bei erstem Zugriff) berechnet werden Win32 DLLs analog

9 ELF-Bibliotheken Auf Festplatte: Kopf text data PLT GOT Im Speicher: text data PLT GOT text im Speicher: Nur eine Kopie im physikalischen Speicher Mit anderen Programmen geteilt Nicht schreibbar andere Teile im Speicher: Eine Kopie pro Programm Vom dynamischen Binder reloziert Lesbar, schreibbar, ausführbar (nach Bedarf)

10 Verwendung GOT Ohne dynamische Bibliotheken: la $t0, zaehler lw $t1, 0($t0) Mit GOT: la $t0, GOT lw $t0, 0x40($t0) lw $t1, 0($t0) Hier: 0x40 ist Nummer des zaehler-eintrags in der GOT

11 Verwendung PLT Ohne dynamische Bibliotheken: jal pluseins Mit PLT: la $t0, PLT addi $t0, $t0, 0x20 jalr $t0 Hier: 0x20 ist Nummer des pluseins-eintrags in der PLT Indirektion bei Aufruf: langsamer

12 Vorbinden Bibliotheken raten eigene Relozierungsadressen GOT/PLT wird für diese Adressen vorberechnet Lader: wenn möglich, an geratene Adresse halten Vorteil: Relozierung nur nötig, falls falsch geraten Keine Auswirkung auf Zugriffskosten nach dem Binden Verwendung: Win32 DLLs OS X (prebinding) Optional auf Linux (prelink)

13 Vergleich: Bibliotheken Bibliotheken werden durch Binder an Objektcode von Programmen gebunden: Direkt nach der Assemblierung (statische Bibliotheken) Beim Laden des Programmes (dynamische Bibliotheken) Vorteile statischer Programmbibliotheken: Ungenutzte Teile können entfernt werden Direkte Sprünge möglich: effizienter bei häufigen Bibliotheksaufrufen Vorteile dynamischer Programmbibliotheken: Nutzung durch mehrere Programme gleichzeitig Separate Aktualisierung von Programmen und Bibliotheken möglich

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