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。
#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
int main()
{
int *p = malloc(32);
free(p);
return(0);
}
a) 示例程序 int.c
#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
#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。
#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。
#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
