GCC中–with-abi和–with-arch的实现分析

by xmj

1、gcc的configure支持–with-abi和–with-arch等选项:

--with-schedule=cpu
--with-arch=cpu
--with-arch-32=cpu
--with-arch-64=cpu
--with-tune=cpu
--with-tune-32=cpu
--with-tune-64=cpu
--with-abi=abi
--with-fpu=type
--with-float=type
   These configure options provide default values for the -mschedule=, -march=,
-mtune=, -mabi=, and -mfpu= options and for -mhard-float or -msoft-float. As with
--with-cpu, which switches will be accepted and acceptable values of the arguments
depend on the target.

2、在configure的时候,如果指定了这些选项,那么gcc/config.gcc则会将这些值保存在configure_default_options变量中:

#  configure_default_options
#                       Set to an initializer for configure_default_options
#                       in configargs.h, based on --with-cpu et cetera.

这个变量值会被写入build目录下的configargs.h文件中,形如:

static const struct {
 const char *name, *value;
} configure_default_options[] = { { "abi", "o32" }, { "arch", "mips1" } };

3、gcc提供了一个目标宏,供port来定义缺省选项的spec

— Macro: OPTION_DEFAULT_SPECS

   A list of specs used to support configure-time default options
(i.e. --with options) in the driver. It should be a suitable
initializer for an array of structures, each containing two strings,
without the outermost pair of surrounding braces.

   The first item in the pair is the name of the default. This must
match the code in config.gcc for the target. The second item is a spec
to apply if a default with this name was specified. The string
`%(VALUE)' in the spec will be replaced by the value of the default
everywhere it occurs.

   The driver will apply these specs to its own command line between
loading default specs files and processing DRIVER_SELF_SPECS, using
the same mechanism as DRIVER_SELF_SPECS.

   Do not define this macro if it does not need to do anything.

4、gcc启动时,会分析option_default_specs和configure_default_options,将configure_default_options中的值替换到相应的option_default_specs中:

 /* Process any configure-time defaults specified for the command line
    options, via OPTION_DEFAULT_SPECS.  */
 for (i = 0; i < ARRAY_SIZE (option_default_specs); i++)
   do_option_spec (option_default_specs[i].name,
                   option_default_specs[i].spec);

这样,gcc就会在传给cc1和as等程序的选项中,增加了这些在configure时指定的选项。

PLT实例讲解

by xmj, yao

一、x86 ABI手册原文及翻译

原文摘自SYSTEM V APPLICATION BINARY INTERFACE。

Figure 5-7: Position-Independent Procedure Linkage Table

.PLT0: pushl 4(%ebx)
       jmp *8(%ebx)
       nop; nop
       nop; nop
.PLT1: jmp *name1@GOT(%ebx)
       pushl $offset
       jmp .PLT0@PC
.PLT2: jmp *name2@GOT(%ebx)
       pushl $offset
       jmp .PLT0@PC
...

Following the steps below, the dynamic linker and the program ‘‘cooperate’’ to resolve symbolic references through the procedure linkage table and the global offset table.

动态链接器和程序,按照下面的步骤,协作完成对通过过程链接表和全局偏移表进行符号引用的解析。

1 . When first creating the memory image of the program, the dynamic linker sets the second and the third entries in the global offset table to special values. Steps below explain more about these values.

动态链接器在开始创建程序的内存映像时,会将全局偏移表中的第二,三项设置为特定的值。这些值在下面的步骤中详细解释。

2 . If the procedure linkage table is position-independent, the address of the global offset table must reside in %ebx. Each shared object file in the process image has its own procedure linkage table, and control transfers to a procedure linkage table entry only from within the same object file. Consequently, the calling function is responsible for setting the global offset table base register before calling the procedure linkage table entry.

如果过程链接表是位置无关的,则全局偏移表的地址必须存在%ebx中。进程映像中的每个共享目标文件都有自己的过程链接表,并且只能从同一个目标文件中才能将控制转换到过程链接表的表项。因此,调用函数需要在调用过程链接表项之前,设置全局偏移表的基础寄存器。

3 . For illustration, assume the program calls name1, which transfers control to the label .PLT1.

例如,假设程序调用了name1,其将控制转换到标号.PLT1.

4 . The first instruction jumps to the address in the global offset table entry for name1. Initially, the global offset table holds the address of the following
pushl instruction, not the real address of name1.

第一条指令跳转到全局偏移表项中name1的地址。初始的时候,全局偏移表中存放的是pushl指令之后的地址,而不是name1的实际地址。

5 . Consequently, the program pushes a relocation offset (offset) on the stack. The relocation offset is a 32-bit, non-negative byte offset into the relocation table. The designated relocation entry will have type R_386_JMP_SLOT, and its offset will specify the global offset table entry used in the previous jmp instruction. The relocation entry also contains a symbol table index, thus telling the dynamic linker what symbol is being referenced, name1 in this case.

因此,程序将一个重定位偏移量(offset)压入栈中。重定位偏移量为一个32位,非负的,重定位表的字节偏移。其所指定的重定位项将具有R_386_JMP_SLOT类型,并且它的偏移量指定了在之前jmp指令中会用到的全局偏移表项。重定位项还包含了一个符号表索引,因此告诉了动态链接器哪个符号在被引用。在该例子中,为name1.

6 . After pushing the relocation offset, the program then jumps to .PLT0, the first entry in the procedure linkage table. The pushl instruction places the value of the second global offset table entry (got_plus_4 or 4(%ebx)) on the stack, thus giving the dynamic linker one word of identifying information. The program then jumps to the address in the third global offset table entry (got_plus_8 or 8(%ebx)), which transfers control to the dynamic linker.

在压入重定位偏移量之后,程序然后跳转到.PLT0,过程链接表的第一项。pushl指令将全局偏移表的第二个表项(got_plus_4 or 4(%ebx))压入栈中,因此给了动态链接器一个字的标识信息。程序然后跳转到全局偏移表的第三个表项中(got_plus_8 or 8(%ebx))的地址,其将控制转换给动态链接器。

7 . When the dynamic linker receives control, it unwinds the stack, looks at the designated relocation entry, finds the symbol’s value, stores the ‘‘real’’ address for name1 in its global offset table entry, and transfers control to the desired destination.

当动态链接器获得控制之后,其展开栈,查看指定的重定位项,发现符号的值,将name1的“实际”地址存放在它的全局偏移表项中,然后将控制转换到所希望的目的地。

8 . Subsequent executions of the procedure linkage table entry will transfer directly to name1, without calling the dynamic linker a second time. That is, the jmp instruction at .PLT1 will transfer to name1, instead of ‘‘falling through’’ to the pushl instruction.

以后对过程链接表项的执行,将会直接转换到name1,而不需要再次调用动态链接器。也就是说,在.PLT1中的jmp指令会直接跳转到name1,而不会顺序执行到pushl指令。

二、实例分析

1、为了帮助理解这些枯燥的文档,我们结合一个实际的例子进行分析。

例子很简单,

#include 

int
main (void)
{
 printf ("hellogcc\n");

 return 0;
}

2、后边我们会看到一些汇编程序和一些地址,为了搞清楚这些地址的含义,我们先列出一些段的地址范围,

(gdb) maintenance info sections
Exec file:
   `/home/yao/SourceCode/plt.exe', file type elf32-i386.
   0x80481d4->0x8048224 at 0x000001d4: .dynsym ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x8048224->0x804826e at 0x00000224: .dynstr ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x8048298->0x80482a0 at 0x00000298: .rel.dyn ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x80482a0->0x80482b8 at 0x000002a0: .rel.plt ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x80482b8->0x80482e8 at 0x000002b8: .init ALLOC LOAD READONLY CODE HAS_CONTENTS
   0x80482e8->0x8048328 at 0x000002e8: .plt ALLOC LOAD READONLY CODE HAS_CONTENTS
   0x8048330->0x804849c at 0x00000330: .text ALLOC LOAD READONLY CODE HAS_CONTENTS
   0x804849c->0x80484b8 at 0x0000049c: .fini ALLOC LOAD READONLY CODE HAS_CONTENTS
   0x80484b8->0x80484c9 at 0x000004b8: .rodata ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x80484cc->0x80484d0 at 0x000004cc: .eh_frame ALLOC LOAD READONLY DATA HAS_CONTENTS
   0x8049f0c->0x8049f14 at 0x00000f0c: .ctors ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x8049f14->0x8049f1c at 0x00000f14: .dtors ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x8049f1c->0x8049f20 at 0x00000f1c: .jcr ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x8049f20->0x8049ff0 at 0x00000f20: .dynamic ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x8049ff0->0x8049ff4 at 0x00000ff0: .got ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x8049ff4->0x804a00c at 0x00000ff4: .got.plt ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x804a00c->0x804a014 at 0x0000100c: .data ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS
   0x804a014->0x804a01c at 0x00001014: .bss ALLOC

3、我们看看实际程序中,我们PLT section里边的内容是什么?

(gdb) disassemble 0x80482e8,0x8048328
Dump of assembler code from 0x80482e8 to 0x8048328:
  0x080482e8:  pushl  0x8049ff8
  0x080482ee:  jmp    *0x8049ffc
  0x080482f4:  add    %al,(%eax)
  0x080482f6:  add    %al,(%eax)
  0x080482f8:  jmp    *0x804a000
  0x080482fe:  push   $0x0
  0x08048303:  jmp    0x80482e8
  0x08048308:  jmp    *0x804a004
  0x0804830e:  push   $0x8
  0x08048313:  jmp    0x80482e8
  0x08048318:  jmp    *0x804a008
  0x0804831e:  push   $0x10
  0x08048323:  jmp    0x80482e8

我们看到了,puts的plt entry,是 plt 3,前边的0 1 和 2都已经被占用了。这些都是系统
保留的entry。不同的体系结构,这里可能占用不同的书目的entry。plt 0会在本文中介绍
到,但是 plt 1 和 2 的作用,没有在本文介绍。

4、第一条指令跳转到全局偏移表项中name1的地址。初始的时候,全局偏移表中存放的是pushl指令之后的地址,而不是name1的实际地址。

  0x08048318:     jmp    *0x804a008 // -> jmp *(_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+20)
  0x0804831e:     push   $0x10      // push relocation offset.

我们可以看到 0x804a008 落在的 .got.plt 的范围,

   0x8049ff4->0x804a00c at 0x00000ff4: .got.plt ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS

(gdb) x/4x 0x804a008
0x804a008 :   0x0804831e      0x00000000      0x00000000      0x00000000

5 . 因此,程序将一个重定位偏移量(offset)压入栈中 (see the insn on 0x0804831e: push 0×10)。重定位偏移量为一个32位,非负的,重定位表的字节偏移。其所指定的重定位项将具有R_386_JMP_SLOT类型,并且它的偏移量指定了在之前jmp指令中会用到的全局偏移表项。

Relocation section '.rel.plt' at offset 0x2a0 contains 3 entries:
 Offset     Info    Type            Sym.Value  Sym. Name
0804a000  00000107 R_386_JUMP_SLOT   00000000   __gmon_start__
0804a004  00000207 R_386_JUMP_SLOT   00000000   __libc_start_main
0804a008  00000307 R_386_JUMP_SLOT   00000000   puts

我们可以看到,这里有一个reloc R_386_JUMP_SLOT,对应的地址是0x804a008,其实就是 puts对应的 .got.plt 的entry。

重定位项还包含了一个符号表索引,因此告诉了动态链接器哪个符号在被引用。在该例子中,为name1.

这个offset(0×10)是指的.rel.plt段的偏移,也就是第三项

0804a008  00000307 R_386_JUMP_SLOT   00000000   puts

这里可以看出,.rel.plt的每一项是8个字节,我手中的这个ABI手册比较旧,没有对这个段和每一项的大小做介绍。

重定位项R_386_JUMP_SLOT包含了offset,info,type,symbol这些信息。其中offset(0x0804a008)指定了在之前jmp指令中会用到的全局偏移表项,symbol信息告诉动态链接器哪个符号在被引用。动态链接器要做的事情就是将这个符号的实际值(即name1的值)填写到偏移量为0x0804a008的全局偏移表项中,即更新name1的全局偏移表项。

6 . 在压入重定位偏移量之后,程序然后跳转到.PLT0,过程链接表的第一项。

  0x08048323
:    jmp    0x80482e8  // jump to start of .plt section.

.PLT0:
  0x080482e8:  pushl  0x8049ff8
  0x080482ee:  jmp    *0x8049ffc

pushl指令将.got.plt的第二个表项(got_plus_4 or 4(%ebx))压入栈中,因此给了动态链接器一个字的标识信息。

  0x8049ff4->0x804a00c at 0x00000ff4: .got.plt ALLOC LOAD DATA HAS_CONTENTS

程序然后跳转到.got.plt的第三个表项中(got_plus_8 or 8(%ebx))的地址,其将控制转换给动态链接器。

(gdb) x/x 0x8049ffc
0x8049ffc :    0x00123270
(gdb) disassemble 0x00123270,0x00123280
Dump of assembler code from 0x123270 to 0x123280:
  0x00123270 :  push   %eax
  0x00123271 :  push   %ecx
  0x00123272 :  push   %edx
  0x00123273 :  mov    0x10(%esp),%edx
  0x00123277 :  mov    0xc(%esp),%eax
  0x0012327b : call   0x11d5a0

可以看到,`jmp *0x8049ffc’ 跳转到了 _dl_runtime_resolve,为动态链接器的入口。

7 . 当动态链接器获得控制之后,其展开栈,查看指定的重定位项,发现符号的值,将name1的“实际”地址存放在它的全局偏移表项中,然后将控制转换到所希望的目的地。

0x804a008 :   0x0804831e

让我们看看dynamic linker如何修改这个,我们在0x804a008上设置一个硬件watchpoint

(gdb) watch *0x804a008
Hardware watchpoint 2: *0x804a008
(gdb) c
Continuing.
Hardware watchpoint 2: *0x804a008

Old value = 134513438
New value = 1616016
_dl_fixup (l=, reloc_arg=) at dl-runtime.c:155
155     dl-runtime.c: No such file or directory.
       in dl-runtime.c

我们可以看到,地址0x804a008上的内容,从134513438 变化到了1616016,

(gdb) p/x 134513438
$2 = 0x804831e
(gdb) p/x 1616016
$3 = 0x18a890

我们看看 这个新地址 (1616016 0x18a890) 是什么

(gdb) disassemble 0x18a890,0x18a8a0
Dump of assembler code from 0x18a890 to 0x18a8a0:
  0x0018a890 :     push   %ebp
  0x0018a891 :     mov    %esp,%ebp
  0x0018a893 :     sub    $0x20,%esp
  0x0018a896 :     mov    %ebx,-0xc(%ebp)
  0x0018a899 :     mov    0x8(%ebp),%eax
  0x0018a89c :    call   0x143a0f

Yay!, 我们能看到地址0x804a008上的内容已经变化成为了实际的glibc中的地址了。

(gdb) bt
#0  _dl_fixup (l=, reloc_arg=) at dl-runtime.c:155
#1  0x00123280 in _dl_runtime_resolve () at ../sysdeps/i386/dl-trampoline.S:37
#2  0x080483f9 in main () at plt.c:6

ITSET的简单介绍

最近GDB社区在讨论给GDB中增加ITSET的功能,这是很重要的功能,会GDB的功能,特别是多线程/多进程方面,有一个巨大的进步 (截止到2012年5月6日,ITSET功能还没有进入到GDB的 CVS)。

ITSET是什么?

ITSET是 Inferior(在GDB中,一个被调试程序的进程可以认为是一个Inferior/Thread SET 的简称。ITSET的概念本身很简单,就是一个Inferior/Thread的集合,然后有了这样的集合以后,调试器的操作范围都局限于用户设定的ITSET中。我后边会介绍 调试器的操作范围的具体含义,其实也很容易理解。ITSET在别的场合,也有不同但是类似的名字,比如,ptset (process/thread set) 或者  ptc set (process/thread/core set)。在HPDF (High Performance Debugging Forum) spec 中,叫做ptset。TotalView 中的实现也叫做ptset。每个实现的细节语法和功能和 HPDF spec 有一些出入,但是大体上都一样的。

调试的操作范围,其实,就是一个命令对被调试程序的影响范围。假如调试器正在调试两个进程,p1 和 p2。每个进程又有三个进程,t11, t12,t13 和 t21,t22,t23。如果你是一个调试器的设计者,当实现如下命令的时候,你就需要考虑命令的操作范围了,

    break foo 假如两个进程都有foo这个符号,那么断点是插入到两个进程里边呢,还是仅仅插入到当前进程里边?也就是说,这个命令的操作范围是当前进程呢还是所有进程。当然,还可以有更加细致的控制范围,比如,现在有100个进程,我想断点只插入到若干几个进程中。
    break bar 假如只有一个进程有这个符号,理所当然这个断点就只插入到那一个进程中。当进程中的一个线程触发断点的时候,应该有哪些线程受到影响呢?这里又有一个范围的问题,需要设计者考虑。p1进程中的t11触发了线程,调试器应该让那几个线程停止下来?调试器的设计者,有如下几个选择

      只停止t11。因为就是它触发了断点,其它线程和进程继续运行
      停止p1中的所有线程。因为它的一个线程触发了断点
      停止p1和p2中的所有线程。这样虽然有些不可思议,但是的确是一种选择

    其实还有很多别的选择,这里就不罗列了。在以前的调试器设计中,往往都是选定一种控制范围。

    continue 运行这个命令,就是resume已经停止了的线程或者进程继续执行。这里也有不同的范围考虑。如果当前进程p1中,t11 和 t12 已经停止,进程p2 的t21 停止。当前线程是t11。如果运行continue命令,调试器作者可以选择,要么仅仅resume t11,或者resume p1中的所有stopped的线程,或者resume所有停止的线程。

上边的这些例子,就是想说,面对多进程多线程的挑战的时候,调试器需要能够灵活的控制每个命令的范围,而描述这个范围的就是ITSET,但是,如何能够是调试器能够按照ITSET的内容,来准确的控制线程和进程,就是调试器自己的事情了,这也就是现在GDB要做的事情。

ITSET是什么样子的?

如上边介绍,ITSET就是一个线程 进程 核 的集合,所以语法和现有的数学集合很像。”-” 是范围,比如 “t1-4″ 线程1到4,”,” 是或操作 “.” 是与操作等等。这里不详细介绍ITSET的语法,因为每个实现对ITSET都有一些微小的修改。我下来会给一些例子,让大家感受一下ITSET,

    i1.t1-4 inferior 1中的thread 1到4
    i1.t1,i2.t2 inferior 1中的thread 1 或者 inferior 2 中的thread 2
    running.c0 所有在core 0上处于running 状态的线程

有了这样的语法,我们就能轻松灵活的控制命令的范围了。

用ITSET控制命令范围

在将来的GDB实现中,可能是用 itfocus 命令来控制某个命令的作用范围的。

itfocus ITSET command

比如,可以这样控制命令的范围 (下边的例子中的命令还不存在于GDB中)

    itfocus i1.t1-2 trace foo在函数foo上设置tracepoint,但是只有对inferior 1中的 t1和t2 有效。也就是说,这个tracepoint是 thread specific的。
    itfocus t1-2 p/x var打印变量var在线程 t1 和 t2 的value的value。如果var是一个局部变量,线程t1和t2若在不同的stack上,var的value是不一样的。
    itfocus stopped.~t1-2 stepi让除了t1 t2 的所有处于stopped状态的线程单步执行一条指令。

这样的例子会有很多,大家应该能够从这样的例子里边,感受到ITSET对调试器的提高。

结束语
本文介绍了可能在GDB出现的新功能ITSET,以及ITSET的简单语法,初步体现了ITSET的灵活和强大。有了ITSET的GDB,将会对线程 进程的控制和命令 有更加细粒度,使用起来更加灵活。但是,这样的灵活性本身并没有解决多线程程序的复杂,相反,这样的灵活性,可能是用户更加的困惑。总之,ITSET只是一个手段, 还是需要用户来自己解决自己的问题。当程序的线程数目和处理器的core的数目继续增长,纵然有ITSET,用户也是无能为力。所以,更加智能的分析,才是用户更需要的。