Android Linker学习笔记
0x00 知识预备
Linker是Android系统动态库so的加载器/链接器，要想轻松地理解Android linker的运行机制，我们需要先熟悉ELF的文件结构，再了解ELF文件的装入/启动，最后学习Linker的加载和启动原理。
鉴于ELF文件结构网上有很多资料，这里就不做累述了。
0x01 so的加载和启动
我们知道如果一个APP需要使用某一共享库so的话，它会在JAVA层声明代码：
#!java Static{ System.loadLibrary(“name”); } 此代码完成library的加载工作。翻看system.loadLibrary的源代码，可以发现：
System.loadLibrary也是一个native方法，它的调用的过程是：
#!cpp Dalvik/vm/native/java_lang_Runtime.cpp: Dalvik_java_lang_Runtime_nativeLoad ->Dalvik/vm/Native.cpp:dvmLoadNativeCode dvmLoadNativeCode 打开函数dvmLoadNativeCode,可以找到以下代码：
#!bash …….. handle = dlopen(pathName, RTLD_LAZY); //获得指定库文件的句柄,这个handle是soinfo* //这个库文件就是System.loadLibrary(pathName)传递的参数 ….. vonLoad = dlsym(handle, "JNI_OnLoad"); //获取该文件的JNI_OnLoad函数的地址 if (vonLoad == NULL) { //如果找不到JNI_OnLoad，就说明这是用javah风格的代码了，那么就推迟解析 LOGD("No JNI_OnLoad found in %s %p, skipping init",pathName, classLoader); //这句话我们在logcat中经常看见！ }else{ …. } 从上面的代码可以看出Android系统加载共享库的关键代码为dlopen函数。这个dlopen函数的代码在bionic/linker/dlfcn.c中：
#!cpp void* dlopen(const char* filename, int flags) { ScopedPthreadMutexLocker locker(&gDlMutex); soinfo* result = do_dlopen(filename, flags); if (result == NULL) { __bionic_format_dlerror("dlopen failed", linker_get_error_buffer()); return NULL; } return result; } 此函数主要通过调用 do_dlopen 函数来返回一个动态链接库的句柄，该句柄为一个soinfo结构体。Soinfo结构体的具体定义在 bionic/linker/linker.h 中。
继续查看 do_dlopen 函数，代码在linker.cpp中：
#!cpp soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags) { if ((flags & ~(RTLD_NOW|RTLD_LAZY|RTLD_LOCAL|RTLD_GLOBAL)) != 0) { DL_ERR("invalid flags to dlopen: %x", flags); return NULL; } set_soinfo_pool_protection(PROT_READ | PROT_WRITE); soinfo* si = find_library(name); //查找动态链接库 if (si != NULL) { si->CallConstructors(); } set_soinfo_pool_protection(PROT_READ); return si; } 显然，重点在 find_library 函数。此函数代码如下：
#!cpp static soinfo* find_library(const char* name) { soinfo* si = find_library_internal(name); if (si != NULL) { si->ref_count++; } return si; } 继续往下深入：
#!cpp static soinfo* find_library_internal(const char* name) { …….. soinfo* si = find_loaded_library(name); //首先查看这个so是否已经加载，如果已经加载，就返回该so的soinfo if (si != NULL) { if (si->flags & FLAG_LINKED) { return si; } DL_ERR("OOPS: recursive link to /"%s/"", si->name); return NULL; } TRACE("[ '%s' has not been loaded yet. Locating...]", name); si = load_library(name); //说明该so没有被加载，就调用此函数进行加载 if (si == NULL) { return NULL; } // At this point we know that whatever is loaded @ base is a valid ELF // shared library whose segments are properly mapped in. TRACE("[ find_library_internal base=%p size=%zu name='%s' ]", reinterpret_cast<void*>(si->base), si->size, si->name); if (!soinfo_link_image(si)) { //加载完so后，根据si的反馈进行链接。会在第3节进行详细分析 munmap(reinterpret_cast<void*>(si->base), si->size); soinfo_free(si); return NULL; } return si; } 先不去关心那些错误处理信息，我们假设各个函数的返回值均在预期范围内，这个函数的执行流程为：
- 使用find_loaded_library函数在已经加载的动态链接库链表里面查找该动态库。如果找到了，就返回该动态库的soinfo，否则执行第②步；
- 此时，说明指定的动态链接库还没有被加载，就使用load_library函数来加载该动态库。
load_library 函数是整个so加载过程的重中之重！它创建了动态链接库的句柄，代码如下：
#!cpp static soinfo* load_library(const char* name) { // Open the file. int fd = open_library(name); if (fd == -1) { DL_ERR("library /"%s/" not found", name); return NULL; } // Read the ELF header and load the segments. ElfReader elf_reader(name, fd); if (!elf_reader.Load()) { return NULL; } const char* bname = strrchr(name, '/'); soinfo* si = soinfo_alloc(bname ? bname + 1 : name); if (si == NULL) { return NULL; } si->base = elf_reader.load_start(); si->size = elf_reader.load_size(); si->load_bias = elf_reader.load_bias(); si->flags = 0; si->entry = 0; //入口函数设为null si->dynamic = NULL; si->phnum = elf_reader.phdr_count(); si->phdr = elf_reader.loaded_phdr(); return si; } load_library 函数的执行过程可以概括如下：
- 使用open_library函数打开指定so文件；
- 创建ElfReader类对象，并通过该对象的load方法，读取Elf文件头，然后通过分析Elf文件来加载各个segments；
- 使用soinfo_alloc函数分配一个soinfo结构体，并为这个结构体中的各个成员赋值。
下面对 步骤二 加以详细介绍。
1.1 SO文件的读取与加载工作
Linker使用ElfRead类的load函数完成so文件的分析工作。该类的源代码在 linker_phdr.cpp 中。Load函数代码如下：
#!cpp bool ElfReader::Load() { return ReadElfHeader() && VerifyElfHeader() && ReadProgramHeader() && ReserveAddressSpace() && LoadSegments() && FindPhdr(); } 显然此函数依次调用ReadElfHeader、ReadProgramHeader等函数。
首先，我们需要知道Android系统加载segments的机制：
一个ELF文件的程序头表包含一个或多个 PT_LOAD segments ，这些segments标志ELF文件中需要被映射到进程空间的区域。每一个可以加载的segment都含有如下重要属性：
-
p_offset: 段在文件的偏移地址 -
p_filesz：段的大小 -
p_memsz：段在内存中占据的大小(通常大于p_filesz)。 -
p_vaddr： 段的虚拟地址 -
p_flags：段的标记(可读，可写，可执行)
当前，我们忽略 p_paddr 和 p_align 成员。
可以加载的segments能在虚拟地址范围 [p_vaddr…p_vaddr+p_memsz) 以列表的形式展现。其中有如下几个规则：
- 各个segments的虚拟地址范围不可重叠；
- 如果一个segment的
p_filesz小于p_memsz，那么两者之间的额外数据将被初始化为0； - segment的虚拟地址范围的起、始地址不是必须在某一页的边界。两个不同的segments的起、始地址可以在同一页，在这种情况，该页继承后一segment的映射标记(mapping flags)
- 每一个segment实际加载的地址并非p
_vaddr。而是由加载器决定将第一个segment加载到内存中的哪个位置，然后剩下的segments就以第一个segment为参照物，进行加载。比如：
下面是两个loadable segments的信息：
#!bash [ offset:0, filesz:0x4000, memsz:0x4000, vaddr:0x30000 ], [ offset:0x4000, filesz:0x2000, memsz:0x8000, vaddr:0x40000 ], 相当于这两个segments的虚拟地址范围分别为:
#!bash 0x30000...0x34000 0x40000...0x48000 如果加载器决定将第一个segment加载到0xa0000000的话(通过后面的分析会知道，这个加载地址是在加载程序头部表的时候由系统确定的)，那么它们的实际虚拟地址范围就是：
#!bash 0xa0030000...0xa0034000 0xa0040000...0xa0048000 换句话说，所有的segments的实际加载开始地址与其vaddr的偏差值是固定的(0xa0030000 – 0x30000 = 0xa0040000 – 0x40000)。
但是，在实际情况下，segments的地址并不是在每一页的边界出开始的。考虑到我们只能在页面边界进行内存映射，因此，这就意味着加载地址的偏差bias应当按照如下方法进行计算：
#!bash load_bias = phdr0_load_address - PAGE_START(phdr0->p_vaddr) (#define PAGE_START(x) ((x) & PAGE_MASK) PAGE_MASK的值一般为0xfffff000。） 所以第一个segment的 load_bias = 0xa0030000 – 0x30000&0xfffff000 = 0xa00000000。
这里 phdr0_load_address 必须以某一页的边界为起始地址，所以该segments的真正内容的开始地址为：
#!bash phdr0_load_address + PAGE_OFFSET(phdr0->p_vaddr) (#define PAGE_OFFSET(x) ((x) & ~PAGE_MASK) 就是x & 0xfff) 注意：ELF要求如下条件，以满足mmap正常工作：
#!bash PAGE_OFFSET(phdr0->p_vaddr) == PAGE_OFFSET(phdr0->p_offset) 每一个loadable segments的 p_vaddr 都必须加上 load_bias ，其和就是该segments在内存中的实际开始地址。
1.1.1 ReadProgramHeader
理清了Android加载segments的机制，我们就来看linker中的实际代码，先看ReadProgramHeader:
#!cpp bool ElfReader::ReadProgramHeader() { phdr_num_ = header_.e_phnum; …….. ElfW(Addr) page_min = PAGE_START(header_.e_phoff); ElfW(Addr) page_max = PAGE_END(header_.e_phoff + (phdr_num_ * sizeof(ElfW(Phdr)))); ElfW(Addr) page_offset = PAGE_OFFSET(header_.e_phoff); phdr_size_ = page_max - page_min; void* mmap_result = mmap(NULL, phdr_size_, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd_, page_min); …….. phdr_mmap_ = mmap_result; phdr_table_ = reinterpret_cast<ElfW(Phdr)*>(reinterpret_cast<char*>(mmap_result) + page_offset); return true; } - 首先读取elf文件的程序头部表项数目
phdr_num; - 然后分别获取程序头部表在页边界对齐后的起始地址
page_min、结束地址page_max和偏移地址page_offset。并根据page_max与page_start计算出程序头部表占据的页面大小phdr_size； - 再以只读模式建立一个私有映射，该映射将elf文件中偏移值为
page_min，大小为phdr_size的区域映射到内存中。将映射后的内存地址赋给phdr_mmap_，简单一句话：将程序头部表映射到内存中，并将内存地址赋值； -
reinterpret_cast<new_type>(expression)，这是c++中的强制类型转换符，类似于(new_type*)(expression)。这里我们对上面红色部分代码加以解释：
( 注:红色代码为倒数第三句 )
首先 reinterpret_cast<char*>(mmap_result) ：经 void* 型指针 mmap_result 强制转换成 char* 型；
然后 reinterpret_cast<char*>(mmap_result) + page_offset ： char* 型指针+ page_offset ，表示指向程序头部表真正开始的地方；
最后再将其转换成 ElfW(Phdr)* 型指针，显然 phdr_table_ 指向程序头部表开始地址。
1.1.2 ReserveAddressSpace
再来看ReserveAddressSpace：
#!cpp /*预备一块足够大的虚拟地址范围，用来加载所有可加载的segments.我们可以通过mmap创建一个带有PROT_NONE属性的私有匿名内存映射。PROT_NONE表示页不可访问，匿名映射表示映射区不与任何文件关联(要求fd为-1)，私有映射表示对该映射区域的写入操作会产生一个映射文件的复制，对此区域做的任何修改够不会写会原来的文件*/ bool ElfReader::ReserveAddressSpace() { ElfW(Addr) min_vaddr; load_size_ = phdr_table_get_load_size(phdr_table_, phdr_num_, &min_vaddr); …….. uint8_t* addr = reinterpret_cast<uint8_t*>(min_vaddr); int mmap_flags = MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS; void* start = mmap(addr, load_size_, PROT_NONE, mmap_flags, -1, 0); …….. load_start_ = start; load_bias_ = reinterpret_cast<uint8_t*>(start) - addr; return true; } 这里有一个关键函数 phdr_table_get_load_siz ：
#!cpp /*返回ELF文件程序头部表中所指定的所有可加载segments(这些segments可能是非连续的)的区间大小，如果没有可加载的segments，就返回0 如果out_min_vaddr 或 out_max_vadd是非空的，它们就会被设置成将被存储的页的最小/大地址(如果没有可加载segments的话，就设为0) */ size_t phdr_table_get_load_size(const ElfW(Phdr)* phdr_table, size_t phdr_count, ElfW(Addr)* out_min_vaddr, ElfW(Addr)* out_max_vaddr) { ElfW(Addr) min_vaddr = UINTPTR_MAX; ElfW(Addr) max_vaddr = 0; bool found_pt_load = false; for (size_t i = 0; i < phdr_count; ++i) { const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table[i]; if (phdr->p_type != PT_LOAD) { continue; } found_pt_load = true; if (phdr->p_vaddr < min_vaddr) { min_vaddr = phdr->p_vaddr; } if (phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz > max_vaddr) { max_vaddr = phdr->p_vaddr + phdr->p_memsz; } } if (!found_pt_load) { min_vaddr = 0; } min_vaddr = PAGE_START(min_vaddr); max_vaddr = PAGE_END(max_vaddr); if (out_min_vaddr != NULL) { *out_min_vaddr = min_vaddr; } if (out_max_vaddr != NULL) { *out_max_vaddr = max_vaddr; } return max_vaddr - min_vaddr; } 通俗点讲，此函数就是返回ELF文件中包含的可加载segments总共需要占用的空间大小，并设置其最小虚拟地址的值(是页对齐的)。值得注意的是，原函数有4个参数，但是在ReserveAddressSpace中调用该函数时却只传递了3个参数，忽略了 out_max_vaddr 。在我个人看来是因为已知了 out_min_vaddr 及两者的差值 load_size ，所以可以通过 out_min_vaddr + load_size 来求得 out_max_vaddr 。
现在回到ReserveAddressSpace函数。求得 load_size 之后，就需要为这些segments分配足够的内存空间。这里需要注意的是mmap的第一个参数并非为Null，而是addr。这就表示将映射区间的开始地址放在进程的addr地址处(一般不会成功，而是由系统自动分配，所以可以看作是Null)，mmap返回实际映射后的内存开始地址start。显然 load_bias_ = start – addr 就是实际映射内存地址同linker期望的映射地址的误差值。后面的操作中，linker就可以通过 p_vaddr + load_bias_ 来获取某一segments在内存中的开始地址了。
1.1.3 LoadSegments
现在就开始加载ELF文件中的可加载segments了：
#!cpp bool ElfReader::LoadSegments() { for (size_t i = 0; i < phdr_num_; ++i) { const ElfW(Phdr)* phdr = &phdr_table_[i]; if (phdr->p_type != PT_LOAD) { continue; } // Segment addresses in memory. ElfW(Addr) seg_start = phdr->p_vaddr + load_bias_; ElfW(Addr) seg_end = seg_start + phdr->p_memsz; ElfW(Addr) seg_page_start = PAGE_START(seg_start); ElfW(Addr) seg_page_end = PAGE_END(seg_end); ElfW(Addr) seg_file_end = seg_start + phdr->p_filesz; // File offsets. ElfW(Addr) file_start = phdr->p_offset; ElfW(Addr) file_end = file_start + phdr->p_filesz; ElfW(Addr) file_page_start = PAGE_START(file_start); ElfW(Addr) file_length = file_end - file_page_start; if (file_length != 0) { void* seg_addr = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_page_start), file_length, //是以文件大小为参照，而非内存大小 PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags), MAP_FIXED|MAP_PRIVATE, fd_, file_page_start); if (seg_addr == MAP_FAILED) { DL_ERR("couldn't map /"%s/" segment %zd: %s", name_, i, strerror(errno)); return false; } } /*如果segments可写，并且该segments的实际结束地址不在某一页的边界的话，就将该segments实际结束地址到此页的边界之间的内存全置为0*/ if ((phdr->p_flags & PF_W) != 0 && PAGE_OFFSET(seg_file_end) > 0) { memset(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end), 0, PAGE_SIZE - PAGE_OFFSET(seg_file_end)); } seg_file_end = PAGE_END(seg_file_end); // seg_file_end is now the first page address after the file // content. If seg_end is larger, we need to zero anything // between them. This is done by using a private anonymous // map for all extra pages. if (seg_page_end > seg_file_end) { void* zeromap = mmap(reinterpret_cast<void*>(seg_file_end), seg_page_end - seg_file_end, PFLAGS_TO_PROT(phdr->p_flags), MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE, -1, 0); if (zeromap == MAP_FAILED) { DL_ERR("couldn't zero fill /"%s/" gap: %s", name_, strerror(errno)); return false; } } } return true; } 此部分功能很简单：就是将ELF中的可加载segments依次映射到内存中，并进行一些辅助扫尾工作。
1.1.4 FindPhdr
返回程序头部表在内存中地址。这与 phdr_table_ 是不同的，后者是一个临时的、在so被重定位之前会为释放的变量：
#!cpp bool ElfReader::FindPhdr() { const ElfW(Phdr)* phdr_limit = phdr_table_ + phdr_num_; //如果段类型是 PT_PHDR, 那么我们就直接使用该段的地址. for (const ElfW(Phdr)* phdr = phdr_table_; phdr < phdr_limit; ++phdr) { if (phdr->p_type == PT_PHDR) { return CheckPhdr(load_bias_ + phdr->p_vaddr); } } //否则，我们就检查第一个可加载段。如果该段的文件偏移值为0，那么就表示它是以ELF头开始的，我们就可以通过它来找到程序头表加载到内存的地址(虽然过程有点繁琐)。 for (const ElfW(Phdr)* phdr = phdr_table_; phdr < phdr_limit; ++phdr) { if (phdr->p_type == PT_LOAD) { if (phdr->p_offset == 0) { ElfW(Addr) elf_addr = load_bias_ + phdr->p_vaddr; const ElfW(Ehdr)* ehdr = reinterpret_cast<const ElfW(Ehdr)*>(elf_addr); ElfW(Addr) offset = ehdr->e_phoff; return CheckPhdr((ElfW(Addr))ehdr + offset); } break; } } DL_ERR("can't find loaded phdr for /"%s/"", name_); return false; } 要理解这段代码，我们需要知道段类型PT_PHDR所表示的意义：指定程序头表在文件及程序内存映像中的位置和大小。此段类型不能在一个文件中多次出现。此外，仅当程序头表是程序内存映像的一部分时，才可以出现此段。此类型（如果存在）必须位于任何可装入段的各项的前面。有关详细信息，请参见 程序的解释程序 。
至此so文件的读取、加载工作就分析完毕了。我们可以发现，Android对so的 加载操作 只是以段为单位，跟section完全没有关系。另外，通过查看VerifyElfHeader的代码，我们还可以发现，Android系统仅仅对ELF文件头的 e_ident 、 e_type 、 e_version 、 e_machine 进行验证(当然， e_phnum 也是不能错的)，所以，这就解释了为什么有些加壳so文件头的section相关字段可以任意修改，系统也不会报错了。
1.2 so的链接机制
在1.1我们详细分析了Android so的加载机制，现在就开始分析so的链接机制。在分析linker的关于链接的源代码之前，我们需要学习ELF文件关于动态链接方面的知识。
1.2.1 动态节区
如果一个目标文件参与动态链接，它的程序头部表将包含类型为 PT_DYNAMIC 的元素。此“段”包含 .dynamic 节区(这个节区是一个数组)。该节区采用一个特殊符号 _DYNAMIC 来标记，其中包含如下结构的数组：
#!cpp typedef struct { Elf32_Sword d_tag; union { Elf32_Word d_val; Elf32_Addr d_ptr; } d_un; } Elf32_Dyn; extern Elf32_Dyn _DYNAMIC[]; //注意这里是一个数组 /*注意: 对每个这种类型的对象，d_tag控制d_un的解释含义： d_val 此 Elf32_Word 对象表示一个整数值，可以有多种解释。 d_ptr 此 Elf32_Addr 对象代表程序的虚拟地址。 关于d_tag的值、该值的意义，及其与d_un的关系，可查看ELF.PDF p24。 */ 该 Elf32_Dyn 数组就是soinfo结构体中的dynamic成员，我们在第2节介绍的 load_library 函数中发现， si->dynamic 被赋值为null，这就说明，在加载阶段是不需要此值的，只有在链接阶段才需要。Android的动态库的链接工作还是由linker完成，主要代码就是在linker.cpp的 soinfo_link_image ( find_library_internal 方法中调用)中，此函数的代码相当多，我们来分块分析：
首先，我们需要从程序头部表中获取dynamic节区信息：
#!cpp /*in function soinfo_link_image */ /*抽取动态节区*/ size_t dynamic_count; ElfW(Word) dynamic_flags; /*这里的si->dynamic 为ElfW(Dyn)指针，就是上面提到的Elf32_Dyn _DYNAMIC[]*/ phdr_table_get_dynamic_section(phdr, phnum, base, &si->dynamic, &dynamic_count, &dynamic_flags); 此函数很简单：
#!cpp /*返回ELF文件中的dynamic节区在内存中的地址和大小，如果没有该节区就返回null * Input: * phdr_table -> program header table * phdr_count -> number of entries in tables * load_bias -> load bias * Output: * dynamic -> address of table in memory (NULL on failure). * dynamic_count -> number of items in table (0 on failure). * dynamic_flags -> protection flags for section (unset on failure) */ void phdr_table_get_dynamic_section(const ElfW(Phdr)* phdr_table, size_t phdr_count, ElfW(Addr) load_bias, ElfW(Dyn)** dynamic, size_t* dynamic_count, ElfW(Word)* dynamic_flags) { const ElfW(Phdr)* phdr = phdr_table; const ElfW(Phdr)* phdr_limit = phdr + phdr_count; for (phdr = phdr_table; phdr < phdr_limit; phdr++) { if (phdr->p_type != PT_DYNAMIC) { continue; } *dynamic = reinterpret_cast<ElfW(Dyn)*>(load_bias + phdr->p_vaddr); if (dynamic_count) { *dynamic_count = (unsigned)(phdr->p_memsz / 8); //这里需要解释下，在2.2.1中我们介绍了Elf32_Dyn的结构，它占8字节。而PT_DYNAMIC段就是存放着Elf32_Dyn数组，所以dynamic_count的值就是该段的memsz/8。 } if (dynamic_flags) { *dynamic_flags = phdr->p_flags; } return; } *dynamic = NULL; if (dynamic_count) { *dynamic_count = 0; } } 成功获取了dynamic节区信息，我们就可以根据该节区中的 Elf32_Dyn 数组来进行so链接操作了。我们需要从dynamic节区中抽取有用的信息，linker采用遍历dynamic数组的方式，根据每个元素的flags()进行相应的处理:
#!cpp /*in function soinfo_link_image */ // 从动态dynamic节区中抽取有用信息 uint32_t needed_count = 0; //开始从头遍历dyn数组，根据数组中个元素的标记进行相应的处理 for (ElfW(Dyn)* d = si->dynamic; d->d_tag != DT_NULL; ++d) { //标记为 DT_NULL 的项目标注了整个 _DYNAMIC 数组的末端，因此以它为结尾标志。 ........ switch (d->d_tag) { case DT_HASH: ........ break; case DT_STRTAB: si->strtab = reinterpret_cast<const char*>(base + d->d_un.d_ptr); break; case DT_SYMTAB: si->symtab = reinterpret_cast<ElfW(Sym)*>(base + d->d_un.d_ptr); break; case DT_JMPREL: #if defined(USE_RELA) si->plt_rela = reinterpret_cast<ElfW(Rela)*>(base + d->d_un.d_ptr); #else si->plt_rel = reinterpret_cast<ElfW(Rel)*>(base + d->d_un.d_ptr); #endif break; case DT_PLTRELSZ: #if defined(USE_RELA) si->plt_rela_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rela)); #else si->plt_rel_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rel)); #endif break; #if defined(__mips__) case DT_PLTGOT: // Used by mips and mips64. si->plt_got = reinterpret_cast<ElfW(Addr)**>(base + d->d_un.d_ptr); break; #endif ........ #if defined(USE_RELA) case DT_RELA: si->rela = reinterpret_cast<ElfW(Rela)*>(base + d->d_un.d_ptr); break; case DT_RELASZ: si->rela_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rela)); break; case DT_REL: DL_ERR("unsupported DT_REL in /"%s/"", si->name); return false; case DT_RELSZ: DL_ERR("unsupported DT_RELSZ in /"%s/"", si->name); return false; #else case DT_REL: si->rel = reinterpret_cast<ElfW(Rel)*>(base + d->d_un.d_ptr); break; case DT_RELSZ: si->rel_count = d->d_un.d_val / sizeof(ElfW(Rel)); break; case DT_RELA: DL_ERR("unsupported DT_RELA in /"%s/"", si->name); return false; #endif case DT_INIT: //只有可执行文件才有此节区 si->init_func = reinterpret_cast<linker_function_t>(base + d->d_un.d_ptr); DEBUG("%s constructors (DT_INIT) found at %p", si->name, si->init_func); break; case DT_FINI: si->fini_func = reinterpret_cast<linker_function_t>(base + d->d_un.d_ptr); DEBUG("%s destructors (DT_FINI) found at %p", si->name, si->fini_func); break; case DT_INIT_ARRAY: si->init_array = reinterpret_cast<linker_function_t*>(base + d->d_un.d_ptr); DEBUG("%s constructors (DT_INIT_ARRAY) found at %p", si->name, si->init_array); break; case DT_INIT_ARRAYSZ: si->init_array_count = ((unsigned)d->d_un.d_val) / sizeof(ElfW(Addr)); break; case DT_FINI_ARRAY: si->fini_array = reinterpret_cast<linker_function_t*>(base + d->d_un.d_ptr); DEBUG("%s destructors (DT_FINI_ARRAY) found at %p", si->name, si->fini_array); break; case DT_FINI_ARRAYSZ: si->fini_array_count = ((unsigned)d->d_un.d_val) / sizeof(ElfW(Addr)); break; case DT_PREINIT_ARRAY: si->preinit_array = reinterpret_cast<linker_function_t*>(base + d->d_un.d_ptr); DEBUG("%s constructors (DT_PREINIT_ARRAY) found at %p", si->name, si->preinit_array); break; case DT_PREINIT_ARRAYSZ: si->preinit_array_count = ((unsigned)d->d_un.d_val) / sizeof(ElfW(Addr)); break; case DT_TEXTREL: #if defined(__LP64__) DL_ERR("text relocations (DT_TEXTREL) found in 64-bit ELF file /"%s/"", si->name); return false; #else si->has_text_relocations = true; break; #endif case DT_SYMBOLIC: si->has_DT_SYMBOLIC = true; break; case DT_NEEDED: ++needed_count; break; case DT_FLAGS: if (d->d_un.d_val & DF_TEXTREL) { ........ si->has_text_relocations = true; } if (d->d_un.d_val & DF_SYMBOLIC) { si->has_DT_SYMBOLIC = true; } break; #if defined(__mips__) case DT_STRSZ: case DT_SYMENT: case DT_RELENT: break; case DT_MIPS_RLD_MAP: // Set the DT_MIPS_RLD_MAP entry to the address of _r_debug for GDB. { r_debug** dp = reinterpret_cast<r_debug**>(base + d->d_un.d_ptr); *dp = &_r_debug; } break; case DT_MIPS_RLD_VERSION: case DT_MIPS_FLAGS: case DT_MIPS_BASE_ADDRESS: case DT_MIPS_UNREFEXTNO: break; case DT_MIPS_SYMTABNO: si->mips_symtabno = d->d_un.d_val; break; case DT_MIPS_LOCAL_GOTNO: si->mips_local_gotno = d->d_un.d_val; break; case DT_MIPS_GOTSYM: si->mips_gotsym = d->d_un.d_val; break; #endif default: DEBUG("Unused DT entry: type %p arg %p", reinterpret_cast<void*>(d->d_tag), reinterpret_cast<void*>(d->d_un.d_val)); break; } } 完成dynamic数组的遍历后，就说明我们已经获取了其中的有用信息了，那么现在就需要根据这些信息进行处理：
#!cpp /*in function soinfo_link_image */ //再检测一遍，这种做法总是明智的 if (relocating_linker && needed_count != 0) { DL_ERR("linker cannot have DT_NEEDED dependencies on other libraries"); return false; } if (si->nbucket == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_HASH in /"%s/" (built with --hash-style=gnu?)", si->name); return false; } if (si->strtab == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_STRTAB in /"%s/"", si->name); return false; } if (si->symtab == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_SYMTAB in /"%s/"", si->name); return false; } // If this is the main executable, then load all of the libraries from LD_PRELOAD now. //如果是main可执行文件，那么就根据LD_PRELOAD信息来加载所有相关的库 //这里面涉及到的gLdPreloadNames变量，我们知道在前面的整个分析过程中均没有涉及，这是因为，对于可执行文件而言，它的起始函数并不是dlopen，而是系统内核的execv函数，通过层层调用之后才会执行到linker的linker_init_post_ralocation函数，在这个函数中调用parse_LD_PRELOAD函数完成 gLdPreloadNames变量的赋值 if (si->flags & FLAG_EXE) { memset(gLdPreloads, 0, sizeof(gLdPreloads)); size_t preload_count = 0; for (size_t i = 0; gLdPreloadNames[i] != NULL; i++) { soinfo* lsi = find_library(gLdPreloadNames[i]); if (lsi != NULL) { gLdPreloads[preload_count++] = lsi; } else { ........ } } } //分配一个soinfo*[]指针数组，用于存放本so库需要的外部so库的soinfo指针 soinfo** needed = reinterpret_cast<soinfo**>(alloca((1 + needed_count) * sizeof(soinfo*))); soinfo** pneeded = needed; //依次获取dynamic数组中定义的每一个外部so库soinfo for (ElfW(Dyn)* d = si->dynamic; d->d_tag != DT_NULL; ++d) { if (d->d_tag == DT_NEEDED) { const char* library_name = si->strtab + d->d_un.d_val; //根据index值获取所需库的名字 DEBUG("%s needs %s", si->name, library_name); soinfo* lsi = find_library(library_name); //获取该库的soinfo if (lsi == NULL) { ........ } *pneeded++ = lsi; } } *pneeded = NULL; #if !defined(__LP64__) if (si->has_text_relocations) { // Make segments writable to allow text relocations to work properly. We will later call // phdr_table_protect_segments() after all of them are applied and all constructors are run. DL_WARN("%s has text relocations. This is wasting memory and prevents " "security hardening. Please fix.", si->name); if (phdr_table_unprotect_segments(si->phdr, si->phnum, si->load_bias) < 0) { DL_ERR("can't unprotect loadable segments for /"%s/": %s", si->name, strerror(errno)); return false; } } #endif #if defined(USE_RELA) if (si->plt_rela != NULL) { DEBUG("[ relocating %s plt ]/n", si->name); if (soinfo_relocate(si, si->plt_rela, si->plt_rela_count, needed)) { return false; } } if (si->rela != NULL) { DEBUG("[ relocating %s ]/n", si->name); if (soinfo_relocate(si, si->rela, si->rela_count, needed)) { return false; } } #else if (si->plt_rel != NULL) { DEBUG("[ relocating %s plt ]", si->name); if (soinfo_relocate(si, si->plt_rel, si->plt_rel_count, needed)) { return false; } } if (si->rel != NULL) { DEBUG("[ relocating %s ]", si->name); if (soinfo_relocate(si, si->rel, si->rel_count, needed)) { return false; } } #endif #if defined(__mips__) if (!mips_relocate_got(si, needed)) { return false; } #endif si->flags |= FLAG_LINKED; DEBUG("[ finished linking %s ]", si->name); #if !defined(__LP64__) if (si->has_text_relocations) { // All relocations are done, we can protect our segments back to read-only. if (phdr_table_protect_segments(si->phdr, si->phnum, si->load_bias) < 0) { DL_ERR("can't protect segments for /"%s/": %s", si->name, strerror(errno)); return false; } } #endif /* We can also turn on GNU RELRO protection */ if (phdr_table_protect_gnu_relro(si->phdr, si->phnum, si->load_bias) < 0) { DL_ERR("can't enable GNU RELRO protection for /"%s/": %s", si->name, strerror(errno)); return false; } notify_gdb_of_load(si); return true; } 0x02 开始执行so文件
上面的 find_library_internal 函数中的 soinfo_link_image 函数执行完后就返回到上层函数 find_library 中，然后进一步返回到 do_dlopen 函数：
#!cpp soinfo* do_dlopen(const char* name, int flags) { if ((flags & ~(RTLD_NOW|RTLD_LAZY|RTLD_LOCAL|RTLD_GLOBAL)) != 0) { DL_ERR("invalid flags to dlopen: %x", flags); return NULL; } set_soinfo_pool_protection(PROT_READ | PROT_WRITE); soinfo* si = find_library(name); if (si != NULL) { si->CallConstructors(); } set_soinfo_pool_protection(PROT_READ); return si; } 如果获取的si不为空，就说明so的加载和链接操作正确完成，那么就可以执行so的初始化构造函数了：
#!cpp void soinfo::CallConstructors() { ........ // DT_INIT should be called before DT_INIT_ARRAY if both are present. //如果文件含有.init和.init_array节区的话，就先执行.init节区的代码再执行.init_array节区的代码 CallFunction("DT_INIT", init_func); CallArray("DT_INIT_ARRAY", init_array, init_array_count, false); } 由于我们只分析so库，所以只需要关心 CallArray("DT_INIT_ARRAY", init_array, init_array_count, false) 函数即可：
#!cpp void soinfo::CallArray(const char* array_name UNUSED, linker_function_t* functions, size_t count, bool reverse) { ........ //这里的recerse变量用于指定.init_array中的函数是由前到后执行还是由后到前执行。默认是由前到后 int begin = reverse ? (count - 1) : 0; int end = reverse ? -1 : count; int step = reverse ? -1 : 1; for (int i = begin; i != end; i += step) { TRACE("[ %s[%d] == %p ]", array_name, i, functions[i]); CallFunction("function", functions[i]); //依次调用init_array中的函数。 } ........ } 这里需要对 init_array 节区的结构和作用加以说明。
首先是 init_array 节区的数据结构。该节中包含指针，这些指针指向了一些初始化代码。这些初始化代码一般是在main函数之前执行的。在C++程序中，这些代码用来运行静态构造函数。另外一个用途就是有时候用来初始化C库中的一些IO系统。使用IDA查看具有 init_array 节区的so库文件就可以找到如下数据：
这里共三个函数指针，每个指针指向一个函数地址。值得注意的是，上图中每个函数指针的值都加了1，这是因为地址的最后1位置1表明需要使得处理器由ARM转为Thumb状态来处理Thumb指令。将目标地址处的代码解释为Thumb代码来执行。
然后再来看CallFunction的具体实现：
#!cpp void soinfo::CallFunction(const char* function_name UNUSED, linker_function_t function) { //如果函数地址为空或者为-1就直接退出。 if (function == NULL || reinterpret_cast<uintptr_t>(function) == static_cast<uintptr_t>(-1)) { return; } ........ function(); //执行该指针所指定的函数 // The function may have called dlopen(3) or dlclose(3), so we need to ensure our data structures // are still writable. This happens with our debug malloc (see http://b/7941716). set_soinfo_pool_protection(PROT_READ | PROT_WRITE); } 至此，整个Android so的linker机制就分析完毕了！
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