原创 C++应用程序在Windows下的编译、链接（四）动态链接

4动态链接

4.1概述

在静态链接阶段，链接器为PE文件生成了导入表，导出表，符号表，并调整了Call指令后面的操作数，在程序调用的时候，能够直接地或者间接地定位到IAT中的某个位置，在PE文件中，该位置包含符号的名称，当PE文件加载到内存以后，该位置应该修正为符号的地址。这些已有的信息和已经完成的工作是后续动态链接的基础。

动态链接的任务是：在程序的加载或者运行阶段，执行各个模块的基址重定位工作，并将IAT中的符号名称修正为动态链接库中被调用的符号的地址。

动态链接分为隐式动态链接和显式动态链接，无论是隐式动态链接还是显式动态链接，都会涉及到对WindowsAPI函数：LoadLibrary()，GetProcAddress()，FreeLibrary()的调用。它们之间的区别是：在执行隐式动态链接的时候，由Windows加载器负责完成对这些Windows API的调用；而在显式动态链接的时候，这些Windows API函数必须由程序员编写代码主动地调用。

隐式动态链接在程序加载到内存的时候完成，而显式动态链接则将这一过程推迟到程序运行的过程中。

动态链接的流程如下图所示：

由上图可以看出，动态链接的两个主要任务：动态链接库加载完毕以后的基址重定位，以及对导入表中函数名称的修正，即：将函数名称转换成函数的地址。

4.2程序加载及基址重定位

PE文件具有段结构，包含的主要的段有：代码段，数据段，导入表，导出表，符号表，基址重定位表等。当PE文件存储在文件中或者被加载到内存中的时候，这些段都需要遵循某个对齐规则。

PE中规定了三类对齐：数据在内存中的对齐，数据在文件中的对齐，资源数据在资源文件中的对齐。

数据在内存中的对齐。在内存中，PE文件以内存页的大小作为对齐粒度。在Windows操作系统中，内存以分页的方式进行管理。在32位Windows下，内存页的大小是4KB；在64位Windows下，内存页的大小是8KB。当PE文件被加载到内存以后，各段的起始地址必须是内存页大小的整数倍。

数据在文件中的对齐。在文件中，PE文件以一个扇区的大小作为对齐粒度。一个扇区的大小为512字节，十六进制表示为200h。在文件存储中，各段的地址偏移必须是200h的整数倍。

资源数据在资源文件中的对齐。在资源文件中，资源字节码以4字节作为对齐粒度。

由于在内存中PE文件以4KB作为对齐粒度，而在文件中以512字节作为对齐粒度，因此当PE文件被加载到内存以后，PE文件的尺寸要大于该文件在硬盘上的尺寸。在执行加载的时候，操作系统会读取PE文件的头信息，去除不需要加载到内存的部分，如：调试信息等，然后操作系统将整个PE文件映射到内存空间中。在将PE文件加载到内存以后，PE文件的结构和布局不会被改变。因此，PE文件在硬盘上的数据结构与在内存中的数据结构是相同的。具体的对比情况如下图所示：

当PE文件被windows加载器加载到内存以后，在内存中的版本被称为模块，每一个模块的起始内存地址被称为HMODULE。通过这个HMODULE可以获得该模块的数据内容。

当可执行程序被加载到内存以后，Windows会查询PE文件中的相关信息，获得该可执行程序所依赖的动态链接库，然后Windows将这些动态链接库也加载到内存中。如果某个要被加载地动态链接库已经位于内存中，那么操作系统就增加这个动态链接库的引用计数。当可执行程序和它所依赖的动态链接库都被加载到内存以后，Windows加载器开始执行基址重定位工作。Windows加载器加载可执行程序以及动态链接库的流程如下图所示：

当可执行文件以及它所依赖的动态链接库文件被加载到内存以后，如果该文件被加载的内存位置不是基于默认内存地址的位置（可执行程序是0x00400000h，动态链接库是0x10000000），那么windows加载器就必须执行基址重定位工作。该工作是在基址重定位表的支持下完成的。对于每一个需要进行重定位的内存地址，加载器都会给它加上一个差值作为修正。该差值为模块当前加载到内存的地址 – 模块默认加载位置的地址。具体的操作流程如下图所示：

当完成基址重定位工作以后，导出地址表（EAT）中的地址也被修正完毕。在PE文件中，这些地址是基于默认加载位置的地址，如果当前加载位置发生了变化，那么这些地址是要被修正的。参见2.4.7节。

4.3符号解析

符号解析是动态链接中最重要的一环，在该阶段，加载器读取PE文件中的导入地址表（IAT）的信息，取得每一个函数的名称，然后用该函数的名称去相关动态链接库中查询函数的地址，用获得的地址替换该函数名称。这一步工作是将函数名称替换为函数地址的过程。具体过程如下图所示：

由于一个可执行程序可能会依赖多个动态链接库，那么在导入表数组中就会包含多个数组元素，所以在符号解析的时候是一个循环处理。加载器对导入表数组执行循环，取得每一个数组元素，然后根据获得的Dll名称查找到相关的动态链接库的位置。获得了相关动态链接库的信息以后，加载器从导入地址表中取得一个符号的名称，以该符号名称为条件去对应的动态链接库中查询。经过对符号名称表，名称序号对应表，以及符号地址表的查询，最后获得符号的地址，将此地址写回到导入地址表原来符号名称的位置。

嗯，那个恭喜你，看完了。为了写这个东西，也把我累的够呛，哈哈。