LINK(5)

名称
link - ダイナミックローダとリンクエディタインタフェース

書式
<sys/types.h> <nlist.h> <link.h>

解説
インクルードファイル <link.h> では、ダイナミックにリンクされたプログラムやライブラリに含まれる 数種の構造体が宣言されています。 その構造体は、リンクエディタとローダ機構のいくつかの構成要素間の インタフェースを定義します。 バイナリ中でのこれらの構造体のレイアウトは 多くの点で a.out 形式に類似しており、 シンボル定義 (付随する文字列テーブルを含む) や外部エンティティへの参照を 解決するのに必要なリロケーションレコードといった、 よく似た機能を提供します。 それに加え、ダイナミックロードとリンク処理に固有のいくつかのデータ構造も 記録しています。このようなデータ構造としては、 リンクエディット処理を完結するのに必要な他のオブジェクトへの参照や、 異なるプロセス間でコードページの共有を進めるための 位置独立コード (Position Independent Code 略して PIC) を機能させるための 間接テーブルがあります。 ここで述べるデータ構造全体を ランタイムリロケーションセクション (RRS) と呼び、ダイナミックにリンクされるプログラムや共有オブジェクトの 標準テキスト及びデータセグメントに埋め込まれます。 これは、既存の a.out(5) 形式には RRS のための場所が他にないからです。

あるプログラムを実行可能とする処理が、 システムリソースの使用を最適化しつつ正しく完了するよう、 複数のユーティリティが協調して働きます。 コンパイラは PIC コードを出力し、 それから ld(1) によって共有ライブラリが作られます。 コンパイラはまた、初期化される各データアイテムのサイズ情報を アセンブラディレクティブ .size を用いて記録します。 PIC コードは、ある間接テーブルを通じてデータ変数にアクセスする点で 従来のコードと異なっています。 この表はグローバルオフセットテーブルと呼ばれ、 慣習によって、予約名 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_ によってアクセス可能です。 ここで用いられるメカニズムの詳細は機種依存ですが、通常は そのマシンのレジスタ 1 本がこの用途に予約されます。 このような仕組みの背景にある合理性は、 実際のロードアドレスとは独立したコードを生成することです。 実行時には、アドレス空間において様々な共有オブジェクトがロードされるアドレス に応じて、グローバルオフセットテーブルに含まれる値のみ変更すればよいのです。

同様に、大域的に定義された関数の呼び出しは、 コアイメージのデータセグメント中に置かれている プロシージャリンケージテーブル (PLT) を通じて間接的に行われます。 これもまた、実行時にテキストセグメントを修正せずに済ませるためのものです。

リンクエディタがグローバルオフセットテーブルとプロシージャリンケージテーブルを 配置するのは、 複数の PIC オブジェクトファイルを結合して プロセスのアドレス空間にマップするのに適した 1 つのイメージにする時です。 リンクエディタはまた、実行時のリンクエディタが必要とする全てのシンボルを集め、 それらをイメージのテキストとデータのビット列と共にストアします。 もう 1 つの予約シンボル _DYNAMIC は、実行時のリンク構造が存在することを示すのに用いられます。 _DYNAMIC が 0 にリロケートされる場合は、実行時リンクエディタを起動する 必要はありません。 もし _DYNAMIC が非 0 なら、_DYNAMIC は、必要なリロケーション情報と シンボル情報の位置を引き出すことができるデータ構造を指しています。 これは特に、スタートアップモジュール crt0 で利用されます。 慣習として、_DYNAMIC 構造体は、 それが属するイメージのデータセグメントの最初に置かれます。

データ構造
ダイナミックリンクと実行時リロケーションをサポートするデータ構造は、 それらの処理の適用対象イメージのテキスト及びデータセグメントの 両方の中にあります。 テキストセグメントにはシンボル記述や名前といった読み取り専用データが含まれ、 他方データセグメントにはリロケーション処理で更新する必要のあるテーブル類が 含まれます。

シンボル _DYNAMIC は _dynamic 構造体を参照します:

    struct	_dynamic {
    	int	d_version;
    	struct 	so_debug *d_debug;
    	union {
    		struct section_dispatch_table *d_sdt;
    	} d_un;
    	struct  ld_entry *d_entry;
    };

d_version
    このフィールドは異なったバージョンのダイナミックリンク実装用に 提供されています。 ld(1) 及び ld.so(1) が理解する現在のバージョン番号は、 SunOS 4.x リリースで用いられている LD_VERSION_SUN (3) と、 FreeBSD 1.1 以来使用されている LD_VERSION_BSD (8) です。

d_un
    d_version に応じたデータ構造を参照します。

so_debug
    このフィールドは、 共有オブジェクトのシンボルテーブルをアクセスするためのフックを デバッガに提供します。 この共有オブジェクトは、 実行時リンクエディタの処理の結果ロードされたものです。

section_dispatch_table 構造体がメインとなる “ディスパッチャ” テーブルであり、 イメージ内で様々なシンボル情報やリロケーション情報が置かれるセグメントへの オフセットを保持します。

    struct section_dispatch_table {
    	struct	so_map *sdt_loaded;
    	long	sdt_sods;
    	long	sdt_filler1;
    	long	sdt_got;
    	long	sdt_plt;
    	long	sdt_rel;
    	long	sdt_hash;
    	long	sdt_nzlist;
    	long	sdt_filler2;
    	long	sdt_buckets;
    	long	sdt_strings;
    	long	sdt_str_sz;
    	long	sdt_text_sz;
    	long	sdt_plt_sz;
    };

sdt_loaded
    ロードされた最初のリンクマップ (後述) へのポインタ。 このフィールドは ld.so によって設定されます。

sdt_sods
    この オブジェクトが必要とする共有オブジェクト記述子の (リンク) リストの先頭。

sdt_filler1
    使用しないで下さい (SunOS では ライブラリの検索ルールを指定するのに使用されていました)。

sdt_got
    このイメージ中でのグローバルオフセットテーブルの位置。

sdt_plt
    このイメージ中でのプロシージャリンケージテーブルの位置。

sdt_rel
    実行時のリロケーションを指定する relocation_info 構造体 ( a.out(5) 参照) の配列の位置。

sdt_hash
    このオブジェクトのシンボルテーブルでシンボル検索を高速化するための ハッシュテーブルの位置。

sdt_nzlist
    シンボルテーブルの位置。

sdt_filler2
    現在使用されていません。

sdt_buckets
    sdt_hash 中のバケット数。

sdt_strings
    sdt_nzlist に対応するシンボル文字列テーブルの位置。

sdt_str_sz
    文字列テーブルのサイズ。

sdt_text_sz
    このオブジェクトのテキストセグメントのサイズ。

sdt_plt_sz
    プロシージャリンケージテーブルのサイズ。

sod 構造体は、それを含むオブジェクトのリンクエディット処理を完了するのに 必要な共有オブジェクトを記述します。 そのようなオブジェクトのリスト ( sod_next で連結されます) は section_dispatch_table 構造体の sdt_sods によって指し示されます。

    struct sod {
    	long	sod_name;
    	u_int	sod_library : 1,
    		sod_reserved : 31;
    	short	sod_major;
    	short	sod_minor;
    	long	sod_next;
    };

sod_name
    このリンクオブジェクトを記述する文字列の、 テキストセグメントにおけるオフセット。

sod_library
    もし設定されていれば、 sod_name は ld.so が検索することになるライブラリを指定します。 そのパス名は、あるディレクトリ群 ( ldconfig(8) 参照) で lib<sod_name>.so.n.m にマッチする共有オブジェクトを検索することで得られます。 もし設定されていなければ、 sod_name は希望する共有オブジェクトに対するフルパス名を指し示す必要があります。

sod_major
    ロードすべき共有オブジェクトのメジャーバージョン番号を指定します。

sod_minor
    ロードすべき共有オブジェクトの希望するマイナーバージョン番号を指定します。

プロセスのアドレス空間にロードされる共有オブジェクト全てを追跡するために、 実行時リンクエディタは リンクマップ と呼ばれる構造体のリストを管理しています。 これらの構造体は実行時にのみ用いられ、 実行可能ファイルや共有ライブラリのテキストあるいはデータセグメントには ありません。

    struct so_map {
    	caddr_t	som_addr;
    	char 	*som_path;
    	struct	so_map *som_next;
    	struct	sod *som_sod;
    	caddr_t som_sodbase;
    	u_int	som_write : 1;
    	struct	_dynamic *som_dynamic;
    	caddr_t	som_spd;
    };

som_addr
    このリンクマップに対応する共有オブジェクトがロードされるアドレス。

som_path
    ロードされるオブジェクトのフルパス名。

som_next
    次のリンクマップへのポインタ。

som_sod
    この共有オブジェクトのロードをつかさどる sod 構造体。

som_sodbase
    最近のバージョンの実行時リンカでは捨てられています。

som_write
    このオブジェクトのテキストセグメント (の一部分) が現在書き込み可能である 場合にセットされます。

som_dynamic
    このオブジェクトの _dynamic 構造体へのポインタ。

som_spd
    実行時リンクエディタが管理するプライベートデータと連結するためのフック。

サイズ付きシンボル記述。 これは単に nlist 構造体にフィールド (nz_size) を 1 つ追加したものです。 共有オブジェクトのデータセグメントにあるアイテムの サイズ情報を伝達するのに用いられます。 この構造体の配列は共有オブジェクトのテキストセグメントに存在し、 そのアドレスは section_dispatch_table の sdt_nzlist フィールドで指定されます。

    struct nzlist {
    	struct nlist	nlist;
    	u_long		nz_size;
    #define nz_un		nlist.n_un
    #define nz_strx		nlist.n_un.n_strx
    #define nz_name		nlist.n_un.n_name
    #define nz_type		nlist.n_type
    #define nz_value	nlist.n_value
    #define nz_desc		nlist.n_desc
    #define nz_other	nlist.n_other
    };

nlist
    ( nlist(3) 参照)。

nz_size
    このシンボルで表現されるデータのサイズ。

実行時のリンクエディットで行われるシンボル検索を高速化するため、 共有オブジェクトのテキストセグメントにハッシュテーブルが含まれています。 section_dispatch_table の sdt_hash フィールドは rrs_hash 構造体を指し示します:

    struct rrs_hash {
    	int	rh_symbolnum;		/* シンボル番号 */
    	int	rh_next;		/* 次のハッシュエントリ */
    };

rh_symbolnum
    共有オブジェクトのシンボルテーブル ( ld_symbols で与えられます) での当該シンボルのインデックス。

rh_next
    衝突が起きたとき、このフィールドはこのハッシュテーブルのバケットにおける 次のエントリのオフセットを保持します。 最終バケット要素の場合は 0 となります。
rt_symbol 構造体は、 実行時にアロケートされるコモン(commons)と 共有オブジェクトからコピーされるデータアイテムを 追跡するのに用いられます。 これらのアイテムはリンクリストで管理され、デバッガでの利用のために so_debug 構造体 (後述) 中の dd_cc フィールドによって公開されます。

    struct rt_symbol {
    	struct nzlist		*rt_sp;
    	struct rt_symbol	*rt_next;
    	struct rt_symbol	*rt_link;
    	caddr_t			rt_srcaddr;
    	struct so_map		*rt_smp;
    };

rt_sp
    シンボル記述。

rt_next
    次の rt_symbol の仮想アドレス。

rt_link
    ハッシュバケットにおける次の要素。 ld.so の内部で用いられます。

rt_srcaddr
    共有オブジェクト中での初期化済データのソース位置。

rt_smp
    この実行時シンボルが記述するデータの元のソースとなる共有オブジェクト。

so_debug 構造体は、 実行時リンクエディットの結果、当該プロセスのアドレス空間にロードされた あらゆる共有オブジェクトの情報を得るために、 デバッガによって利用されます。 実行時リンクエディタはプロセスの初期化処理の一部として実行されるため、 共有オブジェクトからシンボルにアクセスしようとするデバッガは、 crt0 からリンクエディタが呼ばれた後でのみそれが可能となります。 ダイナミックリンクされているバイナリは so_debug 構造体を持っています。この構造体の場所は _dynamic 中の d_debug フィールドで指示されます。

    struct 	so_debug {
    	int	dd_version;
    	int	dd_in_debugger;
    	int	dd_sym_loaded;
    	char    *dd_bpt_addr;
    	int	dd_bpt_shadow;
    	struct rt_symbol *dd_cc;
    };

dd_version
    このインタフェースのバージョン番号。

dd_in_debugger
    当該プログラムがデバッガの制御下にあることを実行時リンカに知らせるために デバッガによってセットされます。

dd_sym_loaded
    共有オブジェクトをロードすることで実行時リンカがシンボルを追加した場合、 実行時リンカによってセットされます。

dd_bpt_addr
    デバッガに制御を移すために実行時リンカによってセットされる ブレークポイントアドレス。 このアドレスは、_main 呼び出しの前に、スタートアップモジュール crt0.o によってある適切な場所に決定されます。

dd_bpt_shadow
    アドレス dd_bpt_addr にあった元の機械命令を保持します。 デバッガは、プログラム実行を再開する前にこの機械命令を元に戻すことに なっています。

dd_cc
    デバッガが必要とする可能性のある、実行時にアロケートしたシンボルの リンクリストへのポインタ。

ld_entry 構造体は ld.so 中のサービスルーチン一式を定義します。

    struct ld_entry {
    	void	*(*dlopen)(char *, int);
    	int	(*dlclose)(void *);
    	void	*(*dlsym)(void *, char *);
    	char	*(*dlerror)(void);
    };

crt_ldso 構造体は、crt0 中のスタートアップコードと ld.so との間のインタフェースを定義します。

    struct crt_ldso {
    	int		crt_ba;
    	int		crt_dzfd;
    	int		crt_ldfd;
    	struct _dynamic	*crt_dp;
    	char		**crt_ep;
    	caddr_t		crt_bp;
    	char		*crt_prog;
    	char		*crt_ldso;
    	struct ld_entry	*crt_ldentry;
    };
    #define CRT_VERSION_SUN		1
    #define CRT_VERSION_BSD_2	2
    #define CRT_VERSION_BSD_3	3
    #define	CRT_VERSION_BSD_4	4

crt_ba
    crt0 によって ld.so がロードされた仮想アドレス。

crt_dzfd
    SunOS では、このフィールドは “/dev/zero” へのオープンされたファイル記述子を保持し、 0 クリアされたデマンドページを得ます。 FreeBSD ではこのフィールドは -1 を保持します。

crt_ldfd
    ld.so をロードするために crt0 が用いる、オープンされたファイル記述子 を保持します。

crt_dp
    main の _dynamic 構造体へのポインタ。

crt_ep
    環境文字列へのポインタ。

crt_bp
    メインプログラムがデバッガで実行される場合、 実行時リンカがブレークポイントを置くアドレス。 so_debug を参照してください。

crt_prog
    crt0 で決定されるメインプログラムの名前 (CRT_VERSION_BSD3 のみ)。

crt_ldso
    crt0 でマップされる実行時リンカのパス (CRT_VERSION_BSD4 のみ)。

hints_header 構造体及び hints_bucket 構造体は、通常 “/var/run/ld.so.hints” に置かれるライブラリヒントのレイアウトを定義します。 ライブラリヒントは、ファイルシステム中で共有オブジェクトイメージの在処を すばやく見つけるために ld.so によって利用されます。 ヒントファイルの構成は “a.out” とそれほど異なりません。つまりヒントファイルは、 固定長ハッシュバケットのオフセットとサイズを決定するためのヘッダと、 共通の文字列プールを持っています。

    struct hints_header {
    	long		hh_magic;
    #define HH_MAGIC	011421044151
    	long		hh_version;
    #define LD_HINTS_VERSION_1	1
    	long		hh_hashtab;
    	long		hh_nbucket;
    	long		hh_strtab;
    	long		hh_strtab_sz;
    	long		hh_ehints;
    };

hh_magic
    ヒントファイルのマジックナンバ。

hh_version
    インタフェースのバージョン番号。

hh_hashtab
    ハッシュテーブルのオフセット。

hh_strtab
    文字列テーブルのオフセット。

hh_strtab_sz
    文字列テーブルのサイズ。

hh_ehints
    ヒントファイルで利用可能な最大オフセット。

    /*
     * ヒントファイルのハッシュテーブル要素
     */
    struct hints_bucket {
    	int		hi_namex;
    	int		hi_pathx;
    	int		hi_dewey[MAXDEWEY];
    	int		hi_ndewey;
    #define hi_major hi_dewey[0]
    #define hi_minor hi_dewey[1]
    	int		hi_next;
    };

hi_namex
    ライブラリを指定する文字列のインデックス。

hi_pathx
    ライブラリのフルパス名を表す文字列のインデックス。

hi_dewey
    共通ライブラリのバージョン番号。

hi_ndewey
    hi_dewey 中の有効エントリ数。

hi_next
    ハッシュ衝突の際の次のバケット。

警告
現在のところ、共有ライブラリ生成をサポートしているのは (GNU) C コンパイラ のみです。他のプログラミング言語では利用できません。