如何强制gcc在PIC代码中直接调用函数？

Question

考虑以下函数：

extern void test1(void);
extern void test2(void) {
    test1();
}

在amd64 Linux上，如果没有使用-fpic，gcc生成的代码如下：

test2:
    jmp test1

当我使用-fpic编译时，gcc会显式地通过PLT进行调用以启用符号重定位：

test2:
    jmp test1@PLT

对于位置无关代码，这并不是必需的，如果我不想支持，可以省略。如果必要，链接器仍会将跳转目标重写为PLT符号。

如何在不更改源代码且不使编译后的代码不适用于共享库的情况下，使函数调用直接到达它们的目标，而不是显式地通过PLT进行？

- fuz

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你是指在你的库/可执行文件内部的调用吗？这应该可以通过某种方式实现，可能是通过定义一个私有别名或其他方法。但是对于只与动态链接的库中的函数进行调用，我不确定运行时链接器是否能够解析这样的引用。 - Peter Cordes

@PeterCordes 如果没有使用-fpic选项，链接器会自动将对符号的引用重写为PLT引用（如果适当/必需）。这就是我想要的行为，即编译器生成对所有函数的普通调用，而链接器重写去往另一个共享对象的调用。 - fuz

-fno-semantic-interposition 这个选项是否符合您的需求？另请参阅 https://dev59.com/QpHea4cB1Zd3GeqPtcHI。这个问题是否与其中任何一个重复？ - Peter Cordes

@PeterCordes 看起来没有什么区别，但我会记住这个选项。 - fuz

未来的读者请参阅 https://dev59.com/HWgv5IYBdhLWcg3wF9BP，了解如何在跨共享对象边界调用时避免使用 PLT（过程链接表）。 （例如从程序调用库） - Peter Cordes

Answer 1

如果您将test1()声明为隐藏的（__attribute__((__visibility__("hidden")))），则跳转将是直接的。

现在，test1()可能没有在其源翻译单元中定义为隐藏，但我认为除了C语言保证&test1 == &test1可能会在运行时对您产生影响之外，不应该有任何伤害，如果其中一个指针是通过隐藏引用获得的，而另一个是通过公共引用获得的（公共引用可能已经通过预加载或在查找范围中位于当前DSO之前的DSO进行了插入，而隐藏引用（导致直接跳转）有效地防止任何形式的插入）。

更合适的方法是为test1()定义两个名称 - 一个公共名称和一个私有/隐藏名称。

在gcc和clang中，可以使用一些别名技巧来完成这项工作，这只能在定义符号的翻译单元中完成。

宏可以使其更加美观：

#define PRIVATE __attribute__((__visibility__("hidden")))
#define PUBLIC __attribute__((__visibility__("default")))
#define PRIVATE_ALIAS(Alias,OfWhat) \
    extern __typeof(OfWhat) Alias __attribute((__alias__(#OfWhat), \
                                 __visibility__("hidden")))

#if HERE
PUBLIC void test1(void) { }
PRIVATE_ALIAS(test1__,test1);
#else
PUBLIC void test1(void);
PRIVATE void test1__(void);
#endif

void call_test1(void) { test1(); }
void call_test1__(void) { test1__(); }

void call_ext0(void) { void ext0(void); ext0(); }
void call_ext1(void) { PRIVATE void ext1(void); ext1(); }

上述代码编译为 (-O3, x86-64)：

call_test1:
        jmp     test1@PLT
call_test1__:
        jmp     test1__
call_ext0:
        jmp     ext0@PLT
call_ext1:
        jmp     ext1

在-O3开启的情况下，将HERE=1定义为内联测试1调用，因为它很小且本地化。示例请参见https://godbolt.org/g/eZvmp7。

- PSkocik

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“打破了C语言的保证” - 是哪个？ - yugr

@yugr 感谢您的评论。我不知道为什么最后一段会有那样的内容。我刚试了一下，-fno-semantic-interposition 似乎不能消除实际函数调用中的 PLT 间接寻址。我现在已经将其删除。我相信其余部分应该是没问题的，特别是关于为同一对象同时设置隐藏和可见别名的部分。 - Petr Skocik

Answer 2

如果您无法更改源代码，您可以使用-Bsymbolic链接器标志：

创建共享库时，将对全局符号的绑定引用到共享库中的定义（如果有）。通常，程序链接到共享库时可以覆盖共享库中的定义。此选项仅在支持共享库的ELF平台上具有意义。

但请注意，如果库的某些部分依赖于符号插入，则会导致破坏。我建议隐藏不需要导出的函数（通过使用__attribute__((visibility("hidden")))进行注释）或通过hidden aliases调用它们（专门设计为以受控方式进行PLT-less intra-library calls）。

- yugr