7.13 库打桩机制

Linux 链接器支持一个很强大的技术，称为库打桩（library interpositioning），它允许你截获对共享库函数的调用，取而代之执行自己的代码。使用打桩机制，你可以追踪对某个特殊库函数的调用次数，验证和追踪它的输入和输出值，或者甚至把它替换成一个完全不同的实现。

下面是它的基本思想：给定一个需要打桩的目标函数，创建一个包装函数，它的原型与目标函数完全一样。使用某种特殊的打桩机制，你就可以欺骗系统调用包装函数而不是目标函数了。包装函数通常会执行它自己的逻辑，然后调用目标函数，再将目标函数的返回值传递给调用者。

打桩可以发生在编译时、链接时或当程序被加载和执行的运行时。要研究这些不同的机制，我们以图 7-20a 中的示例程序作为运行例子。它调用 C 标准库（libc.so）中的 malloc 和 free 函数。对 malloc 的调用从堆中分配一个 32 字节的块，并返回指向该块的指针。对 free 的调用把块还回到堆，供后续的 malloc 调用使用。我们的目标是用打桩来追踪程序运行时对 malloc 和 free 的调用。

7.13.1 编译时打桩

图 7-20 展示了如何使用 C 预处理器在编译时打桩。mymalloc.c 中的包装函数（图 7-20c）调用目标函数，打印追踪记录，并返回。本地的 malloc.h 头文件（图 7-20b）指示预处理器用对相应包装函数的调用替换掉对目标函数的调用。

code/link/interpose/int.c

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main()
{
    int *p = malloc(32);
    free(p);
    return(0);
}

a) 示例程序 int.c

code/link/interpose/malloc.h

#define malloc(size) mymalloc(size)
#define free(ptr) myfree(ptr)

void *mymalloc(size_t size);
void myfree(void *ptr);

b) 本地 malloc.h 文件

code/link/interpose/mymalloc.c

#ifdef COMPILETIME
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* malloc wrapper function */
void *mymalloc(size_t size)
{
    void *ptr = malloc(size);
    printf("malloc(%d)=%p\n",
           (int)size, ptr);
    return ptr;
}

/* free wrapper function */
void myfree(void *ptr)
{
    free(ptr);
    printf("free(%p)\n", ptr);
}
#endif

c) mymalloc.c 中的包装函数

图 7-20 用 C 预处理进行编译时打桩

像下面这样编译和链接这个程序：

linux> gcc -DCOMPILETIME -c mymalloc.c
linux> gcc -I. -o intc int.c mymalloc.o

运行这个程序会得到如下的追踪信息：

linux> ./intc
malloc(32)=0x9ee010
free(0x9ee010)

7.13.2 链接时打桩

Linux 静态链接器支持用 --wrap f 标志进行链接时打桩。这个标志告诉链接器，把对符号 f 的引用解析成 wrap_f（前缀是两个下划线），还要把对符号 __real_f（前缀是两个下划线）的引用解析为 f。图 7-21 给出我们示例程序的包装函数。

code/link/interpose/mymalloc.c

#ifdef LINKTIME
#include <stdio.h>

void *__real_malloc(size_t size);
void __real_free(void *ptr);

/* malloc wrapper function */
void *__wrap_malloc(size_t size)
{
    void *ptr = __real_malloc(size); /* Call libc malloc */
    printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
    return ptr;
}

/* free wrapper function */
void __wrap_free(void *ptr)
{
    __real_free(ptr); /* Call libc free */
    printf("free(%p)\n", ptr);
}
#endif

图 7-21 用 --wrap 标志进行链接时打桩

用下述方法把这些源文件编译成可重定位目标文件：

linux> gcc -DLINKTIME -c mymalloc.c
linux> gcc -c int.c

然后把目标文件链接成可执行文件：

linux> gcc -Wl,--wrap,malloc -Wl,--wrap,free -o intl int.o mymalloc.o

-Wl,option 标志把 option 传递给链接器。option 中的每个逗号都要替换为一个空格。所以 -Wl,--wrap,malloc 就把 --wrap malloc 传递给链接器，以类似的方式传递 -Wl,--wrap,free。

运行该程序会得到如下追踪信息：

linux> ./intl
malloc(32) = 0x18cf010
free(0x18cf010)

7.13.3 运行时打桩

编译时打桩需要能够访问程序的源代码，链接时打桩需要能够访问程序的可重定位对象文件。不过，有一种机制能够在运行时打桩，它只需要能够访问可执行目标文件。这个很厉害的机制基于动态链接器的 LD_PRELOAD 环境变量。

如果 LD_PRELOAD 环境变量被设置为一个共享库路径名的列表（以空格或分号分隔），那么当你加载和执行一个程序，需要解析未定义的引用时，动态链接器（LD-LINUX.SO）会先搜索 LD_PRELOAD 库，然后才搜索任何其他的库。有了这个机制，当你加载和执行任意可执行文件时，可以对任何共享库中的任何函数打桩，包括 libc.so。

图 7-22 展示了 malloc 和 free 的包装函数。每个包装函数中，对 dlsym 的调用返回指向目标 libc 函数的指针。然后包装函数调用目标函数，打印追踪记录，再返回。

code/link/interpose/mymalloc.c

#ifdef RUNTIME
#define _GNU_SOURCE
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>

/* malloc wrapper function */
void *malloc(size_t size)
{
    void *(*mallocp)(size_t size);
    char *error;

    mallocp = dlsym(RTLD_NEXT, "malloc"); /* Get address of libc   malloc */ 
    if ((error = dlerror()) != NULL) { 
        fputs(error, stderr);
        exit(1);
    }
    char *ptr = mallocp(size); /* Call libc malloc */
    printf("malloc(%d) = %p\n", (int)size, ptr);
    return ptr;
}

/* free wrapper function */
void free(void *ptr)
{
    void (*freep)(void *) = NULL;
    char *error;

    if (!ptr)
    return;

    freep = dlsym(RTLD_NEXT, "free"); /* Get address of libc free */
    if ((error = dlerror()) != NULL) {
        fputs(error, stderr);
        exit(1);
    }
    freep(ptr); /* Call libc free */
    printf("free(%p)\n", ptr);
}
#endif

图 7-22 用 LD_PRELOAD 进行运行时打桩

下面是如何构建包含这些包装函数的共享库的方法：

linux> gcc -DRUNTIME -shared -fpic -o mymalloc.so mymalloc.c -ldl

这是如何编译主程序：

linux> gcc -o intr int.c

下面是如何从 bash shell 中运行这个程序：

linux> LD_PRELOAD="./mymalloc.so" ./intr
malloc(32) = 0x1bf7010
free(0x1bf7010)

下面是如何在 csh 或 tcsh 中运行这个程序：

linux> (setenv LD_PRELOAD "./mymalloc.so"; ./intr; unsetenv LD_PRELOAD)
malloc(32) = 0x2157010
free(0x2157010)

请注意，你可以用 LD_PRELOAD 对任何可执行程序的库函数调用打桩！

linux> LD_PRELOAD="./mymalloc.so" /usr/bin/uptime
malloc(568) = 0x21bb010
free(0x21bb010)
malloc(15) = 0x21bb010
malloc(568) = 0x21bb030
malloc(2255) = 0x21bb270
free(0x21bb030)
malloc(20) = 0x21bb030
malloc(20) = 0x21bb050
malloc(20) = 0x21bb070
malloc(20) = 0x21bb090
malloc(20) = 0x21bb0b0
malloc(384) = 0x21bb0d0
20:47:36 up 85 days, 6:04, 1 user, load average: 0.10, 0.04, 0.05