动态链接器(九):.init和.init_array

发布于:2025-02-23 ⋅ 阅读:(18) ⋅ 点赞:(0)

ELF文件中的.init和.init_array段是程序初始化阶段的重要组成部分,用于在main函数执行前完成必要的初始化操作。

1 .init段和.init_array 段

1.1 作用

.init段包含编译器生成的初始化代码,通常由运行时环境(如C标准库的启动例程)直接调用。这些代码负责执行基础的初始化任务,例如设置全局异常处理、初始化堆栈或准备程序运行环境。

.init_array是一个函数指针数组,存储了所有需要在main之前执行的初始化函数。这些函数通常由用户通过__attribute__((constructor))显式定义,或由编译器隐式生成(如C++全局对象的构造函数)。它支持多个初始化函数,按优先级顺序执行。GCC允许通过__attribute__((constructor(priority)))指定优先级(数值越小越早执行),链接器会按优先级合并到.init_array的子段(如.init_array.0、.init_array.1)中。

PS:在早期的ELF实现中,用户可以通过_init()函数定义初始化逻辑,但现代工具链更推荐使用.init_array。

1.2 执行

对于可执行程序,在程序入口(如_start)调用main函数之前,.init中的代码会首先执行,在.init段代码执行后,.init_array中的函数会按顺序依次执行。musl中的libc_start_init函数就是负责执行.init和.init_array中的代码的:

static void libc_start_init(void)
{
	_init();
	uintptr_t a = (uintptr_t)&__init_array_start;
	for (; a<(uintptr_t)&__init_array_end; a+=sizeof(void(*)()))
		(*(void (**)(void))a)();
}

注意这个_init()函数就是1.1中所说的用户定义的_init()函数,它是一个弱符号,如果用户没有定义_init()函数,它就会使用musl中的默认实现(一个空函数,什么也不做):

static void dummy(void) {}
weak_alias(dummy, _init);

当然不光可执行程序有这两个段,动态库中也有这两个段:

对于动态库,这两个段中的函数是由动态链接器进行调用的。在动态链接器完成对动态库的加载和重定位后,就会调用这两个段中的函数。


上面都是对单一的elf文件(动态库、可执行文件)来说,但通常来说elf文件都会有自己的依赖库,此时elf文件和其依赖库的初始化(即调用.init和.init_array中的函数,下文会多次使用初始化这个词语)顺序要满足拓扑排序(先调用依赖库的初始化函数,再调用自身的初始化函数),就像下面这个图所示(这是由动态链接器自主完成的,用户不需要操心):

具体细节可以参考:

https://refspecs.linuxfoundation.org/elf/elf.pdf

2 一个由Glibc的独家秘方导致的Bug

按照规范来说.init和.init_array中的函数是不需要传递参数的,但glibc做了扩展,它会向这些函数传递三个参数:argc,argv,envp。

PS:我猜测它这样做的目的是为了让动态库也能够直接使用argc,argv,不这样做的话动态库是没法直接拿到argc和argv的,除非导出一个函数,由可执行程序传递。(envp是可以拿到的,通过environ全局变量)。下面是glibc中执行.init和.init_array段中函数的代码,可以看到它传了这三个参数:

  ElfW(Dyn) *init_array = l->l_info[DT_INIT_ARRAY];
  if (init_array != NULL)
    {
      unsigned int j;
      unsigned int jm;
      ElfW(Addr) *addrs;

      jm = l->l_info[DT_INIT_ARRAYSZ]->d_un.d_val / sizeof (ElfW(Addr));

      addrs = (ElfW(Addr) *) (init_array->d_un.d_ptr + l->l_addr);
      for (j = 0; j < jm; ++j)
	((dl_init_t) addrs[j]) (argc, argv, env);
    }

在我实现动态链接器时,我主要参考的是musl的代码,我并不知道glibc对初始化函数做了扩展,于是Bug就产生了。在gnu linux环境下Rust std会使用到glibc的这个扩展,这导致我的动态链接器加载的动态库使用std::env::args()函数时会出错。下面就是Rust std中使用到这个特性的地方:

/// glibc passes argc, argv, and envp to functions in .init_array, as a non-standard extension.
/// This allows `std::env::args` to work even in a `cdylib`, as it does on macOS and Windows.
#[cfg(all(target_os = "linux", target_env = "gnu"))]
#[used]
#[link_section = ".init_array.00099"]
static ARGV_INIT_ARRAY: extern "C" fn(
	crate::os::raw::c_int,
	*const *const u8,
	*const *const u8,
) = {
	extern "C" fn init_wrapper(
		argc: crate::os::raw::c_int,
		argv: *const *const u8,
		_envp: *const *const u8,
	) {
		unsafe {
			really_init(argc as isize, argv);
		}
	}
	init_wrapper
};

简单来说,Rust std会使用glibc的这个特性,在动态库初始化时设置几个全局变量,这几个全局变量中保存的就是argc,argv,envp的值。而我实现的动态链接器在调用初始化函数时不会传递这几个值,所以在动态链接器执行上面这段代码中的init_wrapper函数(它在.init_array中,是一个初始化函数)时,argc和argv传进来的都是垃圾值,而std::env::args()函数又会使用init_wrapper函数设置的全局变量,于是在被加载进来的动态库执行std::env::args()函数时,程序就崩溃了。

Bug发现和修复的细节可以看下面这个链接:

std::env::args seems to require billions of bytes · Issue #3 · weizhiao/dlopen-rs · GitHubHi, I'm playing around with your crate and I noticed that if you create a file that looks like this: #[unsafe(no_mangle)] fn test() { let args = std::env::args(); } and a file main.rs that looks like this: use dlopen_rs::{ElfLibrary, Ope...https://github.com/weizhiao/dlopen-rs/issues/3


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