寻找重定位的起源

Question

使用Ulrich Drepper的relinfo.pl脚本，可以轻松计算DSO的重定位次数，但它不能用于.o文件。

假设我有一个大型共享库，对其重定位次数不满意。是否有一种方法可以找出它们来自哪里（符号或至少是.o），以检查它们是否属于易于修复的类型（例如：const char * str = "Hello World";' -> const char str[] = "Hello World";）？

- Marc Mutz - mmutz

---

你想要知道什么：需要该符号的目标文件？还是包含该符号的目标文件或共享库？你有很多目标文件还是只有一个共享库？ - Martin Rosenau

@MartinRosenau：包含该符号的目标文件。我有共享库和链接它的.o文件（我也有源代码，但是仅使用static const char \* .*[]进行grep只能帮我找到这么多...）。 - Marc Mutz - mmutz

Answer 1

简短回答：使用objdump或readelf代替。

详细回答：让我们看一个实际的例子，example.c：

#include <stdio.h>

static const char global1[] = "static const char []";
static const char *global2 = "static const char *";
static const char *const global3 = "static const char *const";
const char global4[] = "const char []";
const char *global5 = "const char *";
const char *const global6 = "const char *const";
char global7[] = "char []";
char *global8 = "char *";
char *const global9 = "char *const";

int main(void)
{
    static const char local1[] = "static const char []";
    static const char *local2 = "static const char *";
    static const char *const local3 = "static const char *const";
    const char local4[] = "const char []";
    const char *local5 = "const char *";
    const char *const local6 = "const char *const";
    char local7[] = "char []";
    char *local8 = "char *";
    char *const local9 = "char *const";

    printf("Global:\n");
    printf("\t%s\n", global1);
    printf("\t%s\n", global2);
    printf("\t%s\n", global3);
    printf("\t%s\n", global4);
    printf("\t%s\n", global5);
    printf("\t%s\n", global6);
    printf("\t%s\n", global7);
    printf("\t%s\n", global8);
    printf("\t%s\n", global9);
    printf("\n");
    printf("Local:\n");
    printf("\t%s\n", local1);
    printf("\t%s\n", local2);
    printf("\t%s\n", local3);
    printf("\t%s\n", local4);
    printf("\t%s\n", local5);
    printf("\t%s\n", local6);
    printf("\t%s\n", local7);
    printf("\t%s\n", local8);
    printf("\t%s\n", local9);

    return 0;
}

您可以使用例如编译它为对象文件。

gcc -W -Wall -c example.c

并将其转换为可执行文件

gcc -W -Wall example.c -o example

你可以使用objdump -tr example.o命令来转储（非动态）目标文件的符号和重定位信息，或者使用objdump -TtRr example命令来转储可执行文件（以及动态目标文件）的相同信息。

objdump -t example.o

在 x86-64 上，我得到

example.o:     file format elf64-x86-64

SYMBOL TABLE:
0000000000000000 l    df *ABS*  0000000000000000 example.c
0000000000000000 l    d  .text  0000000000000000 .text
0000000000000000 l    d  .data  0000000000000000 .data
0000000000000000 l    d  .bss   0000000000000000 .bss
0000000000000000 l    d  .rodata    0000000000000000 .rodata
0000000000000000 l     O .rodata    0000000000000015 global1
0000000000000000 l     O .data  0000000000000008 global2
0000000000000048 l     O .rodata    0000000000000008 global3
00000000000000c0 l     O .rodata    0000000000000015 local1.2053
0000000000000020 l     O .data  0000000000000008 local2.2054
00000000000000d8 l     O .rodata    0000000000000008 local3.2055
0000000000000000 l    d  .note.GNU-stack    0000000000000000 .note.GNU-stack
0000000000000000 l    d  .eh_frame  0000000000000000 .eh_frame
0000000000000000 l    d  .comment   0000000000000000 .comment
0000000000000050 g     O .rodata    000000000000000e global4
0000000000000008 g     O .data  0000000000000008 global5
0000000000000080 g     O .rodata    0000000000000008 global6
0000000000000010 g     O .data  0000000000000008 global7
0000000000000018 g     O .data  0000000000000008 global8
00000000000000a0 g     O .rodata    0000000000000008 global9
0000000000000000 g     F .text  000000000000027a main
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 puts
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 printf
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 putchar
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 __stack_chk_fail

输出结果在 man 1 objdump 的 -t 标题下进行说明。请注意，第二个“列”实际上是固定宽度的：七个字符宽，描述对象的类型。第三列是节名称，对于未定义的使用 *UND*，对于代码使用 .text, 对于只读（不可变）数据使用 .rodata，对于已初始化的可变数据使用 .data，对于未初始化的可变数据使用 .bss 等等。

从上面的符号表中可以看出，local4、local5、local6、local7、local8 和 local9 变量实际上根本没有在符号表中获得条目。这是因为它们是局部变量 main()。它们所引用的字符串内容存储在 .data 或 .rodata 中（或根据编译器的最佳选择动态构造）。

接下来让我们看一下重定位记录。使用

objdump -r example.o

我得到

example.o:     file format elf64-x86-64

RELOCATION RECORDS FOR [.text]:
OFFSET           TYPE              VALUE 
0000000000000037 R_X86_64_32S      .rodata+0x000000000000005e
0000000000000040 R_X86_64_32S      .rodata+0x000000000000006b
0000000000000059 R_X86_64_32S      .rodata+0x0000000000000088
0000000000000062 R_X86_64_32S      .rodata+0x000000000000008f
0000000000000067 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000a8
000000000000006c R_X86_64_PC32     puts-0x0000000000000004
0000000000000071 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000076 R_X86_64_32       .rodata
0000000000000083 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
000000000000008a R_X86_64_PC32     .data-0x0000000000000004
000000000000008f R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
000000000000009f R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000000a6 R_X86_64_PC32     .rodata+0x0000000000000044
00000000000000ab R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000000bb R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000000c0 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000000c5 R_X86_64_32       global4
00000000000000d2 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000000d9 R_X86_64_PC32     global5-0x0000000000000004
00000000000000de R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000000ee R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000000f5 R_X86_64_PC32     global6-0x0000000000000004
00000000000000fa R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
000000000000010a R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
000000000000010f R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000114 R_X86_64_32       global7
0000000000000121 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000128 R_X86_64_PC32     global8-0x0000000000000004
000000000000012d R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
000000000000013d R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000144 R_X86_64_PC32     global9-0x0000000000000004
0000000000000149 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000159 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000163 R_X86_64_PC32     putchar-0x0000000000000004
0000000000000168 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b5
000000000000016d R_X86_64_PC32     puts-0x0000000000000004
0000000000000172 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000177 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000c0
0000000000000184 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
000000000000018b R_X86_64_PC32     .data+0x000000000000001c
0000000000000190 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000001a0 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000001a7 R_X86_64_PC32     .rodata+0x00000000000000d4
00000000000001ac R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000001bc R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000001c1 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000001d6 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000001db R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
00000000000001ef R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
00000000000001f4 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000209 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
000000000000020e R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000223 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000228 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
000000000000023d R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000242 R_X86_64_32       .rodata+0x00000000000000b0
0000000000000257 R_X86_64_PC32     printf-0x0000000000000004
0000000000000271 R_X86_64_PC32     __stack_chk_fail-0x0000000000000004


RELOCATION RECORDS FOR [.data]:
OFFSET           TYPE              VALUE 
0000000000000000 R_X86_64_64       .rodata+0x0000000000000015
0000000000000008 R_X86_64_64       .rodata+0x000000000000005e
0000000000000018 R_X86_64_64       .rodata+0x0000000000000088
0000000000000020 R_X86_64_64       .rodata+0x0000000000000015


RELOCATION RECORDS FOR [.rodata]:
OFFSET           TYPE              VALUE 
0000000000000048 R_X86_64_64       .rodata+0x0000000000000029
0000000000000080 R_X86_64_64       .rodata+0x000000000000006b
00000000000000a0 R_X86_64_64       .rodata+0x000000000000008f
00000000000000d8 R_X86_64_64       .rodata+0x0000000000000029


RELOCATION RECORDS FOR [.eh_frame]:
OFFSET           TYPE              VALUE 
0000000000000020 R_X86_64_PC32     .text

重定位记录按其所在的重定位部分进行分组。由于字符串内容位于 .data 或 .rodata 部分，因此我们可以限制自己只查看以 .data 或 .rodata 开头的 VALUE 的重定位。（可变字符串，如 char global7[] = "char []"; 存储在 .data 中，不可变字符串和字符串字面量存储在 .rodata 中。）

如果我们启用调试符号编译代码，确定哪个变量用于引用哪个字符串将更容易，但我可能只查看每个重定位值（目标）的实际内容，以查看需要修复哪些对不可变字符串的引用。

命令组合：

objdump -r example.o | awk '($3 ~ /^\..*\+/) { t = $3; sub(/\+/, " ", t); n[t]++ } END { for (r in n) printf "%d %s\n", n[r], r }' | sort -g

将输出每个目标的重定位次数，接着是目标段落，然后是段落中的目标偏移量，按照在重定位中出现最多的目标排序，即上面输出的最后几行是您需要关注的内容。对我而言，我得到了

1 .rodata
1 .rodata 0x0000000000000044
1 .rodata 0x00000000000000a8
1 .rodata 0x00000000000000b5
1 .rodata 0x00000000000000c0
1 .rodata 0x00000000000000d4
2 .rodata 0x0000000000000015
2 .rodata 0x0000000000000029
2 .rodata 0x000000000000005e
2 .rodata 0x000000000000006b
2 .rodata 0x0000000000000088
2 .rodata 0x000000000000008f
18 .rodata 0x00000000000000b0

如果我添加优化（gcc -W -Wall -O3 -fomit-frame-pointer -c example.c），结果是

1 .rodata 0x0000000000000020
1 .rodata 0x0000000000000040
1 .rodata.str1.1
1 .rodata.str1.1 0x0000000000000058
2 .rodata.str1.1 0x000000000000000d
2 .rodata.str1.1 0x0000000000000021
2 .rodata.str1.1 0x000000000000005f
2 .rodata.str1.1 0x000000000000006c
3 .rodata.str1.1 0x000000000000003a
3 .rodata.str1.1 0x000000000000004c
18 .rodata.str1.1 0x0000000000000008

这段文字表明编译器选项确实会产生很大的影响，但是有一个目标始终会被使用18次：在偏移量为0xb0（如果启用了编译时优化，则为.rodata.str1.1，在偏移量为0x8）的.rodata部分。

这就是`"\t%s\n"字符串字面量。

将原始程序修改为：

    char *local8 = "char *";
    char *const local9 = "char *const";

    const char *const fmt = "\t%s\n";

    printf("Global:\n");
    printf(fmt, global1);
    printf(fmt, global2);

使用一个不可变的字符串指针fmt替换格式字符串可以完全消除那18个重定位（当然你也可以使用等效的const char fmt[] = "\t%s\n";）。以上分析表明，在GCC-4.6.3下，大部分可避免的重定位都是由于（重复使用）字符串字面值引起的。将它们替换为一个const char数组（const char fmt[] = "\t%s\n";）或一个指向const char的const指针（const char *const fmt = "\t%s\n";）--这两种情况都将内容放到.rodata部分，只读，指针/数组本身的引用也是不可变的--对我来说似乎是一种有效和安全的策略。此外，将字符串字面值转换为不可变的字符串指针或char数组完全是一个源代码级任务。也就是说，如果你使用上述方法转换所有字符串字面值，你至少可以消除每个字符串字面值的一个重定位。实际上，我不认为目标级别的分析会对你有多大帮助。当然，它会告诉你你的修改是否减少了所需的重定位数量。

上述awk段落可扩展为一个函数，输出动态引用的字符串常量，并带有正偏移量。

#!/bin/bash
if [ $# -ne 1 ] || [ "$1" = "-h" ] || [ "$1" = "--help" ]; then
    exec >&2
    echo ""
    echo "Usage: %s [ -h | --help ]"
    echo "       %s object.o"
    echo ""
    exit 1
fi

export LANG=C LC_ALL=C

objdump -wr "$1" | awk '
    BEGIN {
        RS = "[\t\v\f ]*[\r\n][\t\n\v\f\r ]*"
        FS = "[\t\v\f ]+"
    }

    $1 ~ /^[0-9A-Fa-f]+/ {
        n[$3]++
    }

    END {
        for (s in n)
            printf "%d %s\n", n[s], s
    }
' | sort -g | gawk -v filename="$1" '
    BEGIN {
        RS = "[\t\v\f ]*[\r\n][\t\n\v\f\r ]*"
        FS = "[\t\v\f ]+"

        cmd = "objdump --file-offsets -ws " filename
        while ((cmd | getline) > 0)
            if ($3 == "section") {
                s = $4
                sub(/:$/, "", s)
                o = $NF
                sub(/\)$/, "", o)
                start[s] = strtonum(o)
            }
        close(cmd)
    }

    {
        if ($2 ~ /\..*\+/) {
            s = $2
            o = $2
            sub(/\+.*$/, "", s)
            sub(/^[^\+]*\+/, "", o)
            o = strtonum(o) + start[s]
            cmd = "dd if=\"" filename "\" of=/dev/stdout bs=1 skip=" o " count=256"
            OLDRS = RS
            RS = "\0"
            cmd | getline hex
            close(cmd)
            RS = OLDRS
            gsub(/\\/, "\\\\", hex)
            gsub(/\t/, "\\t", hex)
            gsub(/\n/, "\\n", hex)
            gsub(/\r/, "\\r", hex)
            gsub(/\"/, "\\\"", hex)
            if (hex ~ /[\x00-\x1F\x7F-\x9F\xFE\xFF]/ || length(hex) < 1)
                printf "%s\n", $0
            else
                printf "%s = \"%s\"\n", $0, hex
        } else
            print $0
    }
'

这段代码有些粗糙，只是随便拼凑而成的，因此我不知道它的可移植性如何。在我的机器上，它似乎能够找到我测试过的一些字符串字面量；你可能需要重写它以适应自己的需求。或者直接使用支持ELF的编程语言来直接检查目标文件。对于上面展示的示例程序（在我建议减少重定位数量之前），在没有优化的情况下编译，上述脚本会生成输出结果。

1 .data+0x000000000000001c = ""
1 .data-0x0000000000000004
1 .rodata
1 .rodata+0x0000000000000044 = ""
1 .rodata+0x00000000000000a8 = "Global:"
1 .rodata+0x00000000000000b5 = "Local:"
1 .rodata+0x00000000000000c0 = "static const char []"
1 .rodata+0x00000000000000d4 = ""
1 .text
1 __stack_chk_fail-0x0000000000000004
1 format
1 global4
1 global5-0x0000000000000004
1 global6-0x0000000000000004
1 global7
1 global8-0x0000000000000004
1 global9-0x0000000000000004
1 putchar-0x0000000000000004
2 .rodata+0x0000000000000015 = "static const char *"
2 .rodata+0x0000000000000029 = "static const char *const"
2 .rodata+0x000000000000005e = "const char *"
2 .rodata+0x000000000000006b = "const char *const"
2 .rodata+0x0000000000000088 = "char *"
2 .rodata+0x000000000000008f = "char *const"
2 puts-0x0000000000000004
18 .rodata+0x00000000000000b0 = "\t%s\n"
18 printf-0x0000000000000004

最后，您可能会注意到，使用函数指针来代替直接调用printf()将从示例代码中减少18个重定位，但我认为这是一个错误。

对于代码而言，您需要重定位，因为间接函数调用（通过函数指针的调用）比直接调用慢得多。简单地说，这些重定位使函数和子程序调用更快，因此您绝对需要保留它们。

对于答案过长，我深表歉意；希望您会发现这很有用。还有问题吗？

- Nominal Animal

Answer 2

根据Nomainal Animals的回答，我还需要完全理解，但是我已经想出了以下简单的shell脚本，似乎可以找到我所说的“容易修复”的问题：

for i in path/to/*.o ; do
    REL="$(objdump -TtRr "$i" 2>/dev/null | grep '.data.rel.ro.local[^]+-]')"
    if [ -n "$REL" ]; then
        echo "$(basename "$i"):"
        echo "$REL" | c++filt
        echo
    fi
done

QtGui库的示例输出：

qimagereader.o:
0000000000000000 l     O .data.rel.ro.local     00000000000000c0 _qt_BuiltInFormats
0000000000000000 l    d  .data.rel.ro.local     0000000000000000 .data.rel.ro.local

qopenglengineshadermanager.o:
0000000000000000 l     O .data.rel.ro.local     0000000000000090 QOpenGLEngineShaderManager::getUniformLocation(QOpenGLEngineShaderManager::Uniform)::uniformNames
0000000000000000 l    d  .data.rel.ro.local     0000000000000000 .data.rel.ro.local

qopenglpaintengine.o:
0000000000000000 l     O .data.rel.ro.local     0000000000000020 vtable for (anonymous namespace)::QOpenGLStaticTextUserData
0000000000000000 l    d  .data.rel.ro.local     0000000000000000 .data.rel.ro.local

qtexthtmlparser.o:
0000000000000000 l     O .data.rel.ro.local     00000000000003b0 elements
0000000000000000 l    d  .data.rel.ro.local     0000000000000000 .data.rel.ro.local

查找源文件中的这些符号通常很快就能找到解决方法，否则就会发现它们不容易修复。

但是我想一旦我没有可以修复的.data.rel.ro.local，我就必须重新访问Nominal Animal的答案...

- Marc Mutz - mmutz