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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
#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
#define

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
#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
#define
#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

-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

-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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