【深入理解计算机系统】库打桩 - 阅读笔记

库打桩机制

 Linux 链接器支持一个很强大的技术，称为库打桩 (library interpositioning)，它允许你截获对共享库函数的调用，取而代之执行自己的代码。使用打桩机制，你可以追踪对某个特殊库函数的调用次数，验证和追踪它的输入和输出值，或者甚至把它替换成一个完全不同的实现。

 下面是它的基本思想：给定一个需要打桩的目标函数，创建一个包装函数，它的原型与目标函数完全一样。使用某种特殊的打桩机制，你就可以欺骗系统调用包装函数而不是目标函数了。包装函数通常会执行它自己的逻辑，然后调用目标函数，再将目标函数的返回值传递给调用者。

 打桩可以发生在编译时、链接时或当程序被加载和执行的运行时。

 

需求: 我们需要在主程序main.c中跟踪对库函数malloc和free的使用情况。(下面3种打桩以这个为例子)

1. 编译时打桩

 编译时打桩的本质就是借助#define预处理指令，让预处理器在预处理阶段帮助我们替换malloc为我们自己实现的mymalloc，这就是编译时打桩。

 

• mymalloc.c

 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("my_malloc:%d=%p\n", (int)size, ptr);return ptr;
}//定义free 包装函数
void *myfree(void *ptr)
{free(ptr);printf("my_free:%p\n",  ptr);
}#endif

 

• 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);

 

• main.c

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>int main()
{int *p = malloc(32);free(p);return 0;
}

 

编译指令:

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

-D选项: 指定宏参数，设置COMPILETIME宏。
-I.选项: 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

 

运行程序可得到下面的结果:

[wqj@VM-0-15-centos compile]$ ./main 
my_malloc:32=0xfb8010
my_free:0xfb8010

 

 

2. 链接时打桩

 Linux的静态连接器支持使用--wrap f标志进行链接时打桩。这个标志告诉链接器，请把符号f的引用解析为__wrap_f，并且将对符号__real_f的引用解析为f。

举个栗子:

 --wrap malloc <==> 将符号malloc的引用解析为__wrap_malloc，将__real_f的引用解析为malloc。

 这就使得，用户在使用malloc接口时，malloc的引用被解析为了__wrap_malloc，因此程序会去调用__wrap_malloc。在__wrap_malloc中，我们可以再去调用__real_malloc方法，此时就会真正的去调用malloc方法。而我们也可以在__wrap_malloc方法中添加或修改一些额外的信息。(当然也可以完全实现一个自己的方法，不去调用__real_malloc)

注意: 在Linux指令当中，我们使用的是下面的形式的:

linux> gcc -Wl,--wrap,malloc -Wl,--wrap,free -o main main.o mymalloc.o

 这里的--wrap,malloc中的,会被翻译为空格。每一个函数的替换单位就是-Wl,--wrap,f。

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• mymalloc.c

#ifdef LINKTIME    
#include <stdio.h>    void* __real_malloc(size_t size);    
void  __real_free(void* ptr);    void* __wrap_malloc(size_t size)    
{    void* ptr = __real_malloc(size);  //call libc's malloc    printf("mymalloc:%d=%p\n", (int)size, ptr);    return ptr;    
}    void __wrap_free(void* ptr)                                                                                                                                                                                      
{    __real_free(ptr); //call libc's free    printf("myfree:%p\n", ptr);    
}    
#endif

main.c文件同1.编译时打桩的main.c

 

编译指令:

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

 -Wl,option 标志把 option 传递给链接器。option 中的每个逗号都要替换为一个空格。所以 -Wl,--wrap,malloc 就把 --wrap malloc 传递给链接器，以类似的方式传递 -Wl,--wrap,free。

 

运行结果:

[wqj@VM-0-15-centos link]$ ./main
mymalloc:32=0x1fee010
myfree:0x1fee010

 

 

3. 运行时打桩

 运行时打桩主要依靠动态链接器的LD_PRELOAD环境变量。如果LD_PRELOAD环境变量被设置为一个动态库的路径名的列表(以空格或分隔间隔的列表, 一个元素也可以)，那么当你加载和执行一个程序，需要解析未定义的引用时，动态链接器会优先搜索LD_PRELOAD库，然后才会去搜索其它的库。

 有了上面这个机制，当你加载和执行任意的可执行文件时，可以对任何动态库的任何函数打桩，包括libc.so。

• mymalloc.c

#ifdef RUNTIME    
#define _GNU_SOURCE //定义GUN宏，允许你使用一些被限制的特性(feature)    
#include <stdio.h>    
#include <stdlib.h>    
#include <dlfcn.h>    //malloc wrapper function    
void* malloc(size_t size)    
{    void* (*malloc_ptr)(size_t size);    char* error;    malloc_ptr = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc");  //Get Address of libc malloc    if((error = dlerror()) != NULL){    fprintf(stderr, "%s\n", error);    exit(1);    }    void* ptr = malloc_ptr(size);    printf("my_malloc:%d=%p\n",(int)size, ptr);    return ptr;    
}    //free wrapper function    
void free(void* ptr)    
{    void (*free_ptr)(void*) = NULL;    char* error;    if(!ptr){    return;    }    free_ptr = dlsym(RTLD_NEXT, "free");  //Get Address of libc free    if((error = dlerror()) != NULL){    fprintf(stderr, "%s\n", error);    exit(2);    }    free_ptr(ptr);    printf("my_free:%p\n", ptr);    
}    
#endif

main.c文件同1.编译时打桩的main.c

 

编译指令:

gcc -DRUNTIME -shared -fPIC mymalloc.c -o libmymalloc.so -ldl
gcc main.c -o main

 

运行指令:

[wqj@VM-0-15-centos running]$ LD_PRELOAD="./libmymalloc.so" ./main
my_malloc:32=0x1d85010
my_free:0x1d85010

或者

[wqj@VM-0-15-centos running]$ (setenv LD_PRELOAD "./libmymalloc.so"; ./main; unsetenv LD_PRELOAD)
my_malloc:32=0x1d85010
my_free:0x1d85010

 上面的那种是设置本地变量LD_PRELOAD，下面的则是设置环境变量LD_PRELOAD。本地变量与环境变量的区别见Linux详解 — 进程管理2 (进程状态、环境变量与命令行参数)