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位置无关代码

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位置无关代码（PIC）

  • 位置无关代码（PIC）：程序可以在内存中的任意位置运行，不需要修改代码中的绝对地址。
  • 节省空间：相比使用 64 位绝对地址，RIP 相对寻址只需要一个 32 位偏移量。
  • 更安全：支持地址随机化（ASLR），提高程序的安全性。

在 x86-64 架构中，传统的绝对地址寻址方式不再适用于位置无关代码。于是引入了 RIP（指令指针）相对寻址：

假设你有一个全局变量 int x = 42;，在汇编中访问它可能会变成：

1
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asm
mov eax, DWORD PTR [rip + offset_to_x]

这里的 offset_to_x 是编译器计算出来的 x 相对于当前指令的偏移量。

寻址方式 描述 是否位置无关
绝对地址寻址 使用固定地址，如 [0x400123] ❌ 否
寄存器间接寻址 如 [rax]，地址由寄存器决定 ✅ 是
RIP 相对寻址 如 [rip + offset]，相对当前指令位置 ✅ 是

但并不是所有 PIC 都用 RIP 相对寻址，PIC 的实现方式取决于：

  • 架构：在 x86（32 位）中没有 RIP 寄存器，PIC 通常通过 call 指令获取当前地址，再加偏移量。
  • 编译器策略：有些编译器会使用全局偏移表（GOT）或过程链接表（PLT）来实现位置无关性。
  • 访问目标：访问函数地址时可能通过 PLT；访问外部变量时可能通过 GOT；访问静态数据时可能用 RIP 相对寻址。
架构 是否使用 RIP 相对寻址 是否支持位置无关代码
x86-64 ✅ 常用，尤其访问数据段 ✅ 强力支持（默认启用）
x86 (32位) ❌ 无 RIP，用其他方式实现 ✅ 但需要特殊技巧

举个 gdb 调试的例子：

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(gdb) x/i $rip
=> 0x2ac084b5ec10 <poll>:       cmpl   $0x0,0x2d939d(%rip)        # 0x2ac084e37fb4 <__libc_multiple_threads>
(gdb) p (bool)$__libc_multiple_threads
true
  • cmpl $0x0, 0x2d939d(%rip) 是一条比较指令（cmp），用于将某个内存地址中的值与立即数 0 进行比较。
  • (%rip) 表示使用 RIP 相对寻址，这是 x86-64 架构中常见的一种寻址方式。
  • 实际比较的是地址 0x2ac084e37fb4 处的值，也就是 __libc_multiple_threads 这个变量。

__libc_multiple_threads 是什么？

  • 这是 GNU C 库（glibc）中的一个内部变量，用来标记当前进程是否启用了多线程。
  • 如果这个值是 0，说明当前进程是单线程。
  • 如果是非零，说明进程中有多个线程。

所以这条指令的作用是：判断当前进程是否是多线程环境，可能用于决定是否启用线程安全的行为。

为什么使用 RIP 相对寻址？

  1. RIP 是唯一始终已知的寄存器
  • 在执行指令时，CPU总是知道当前指令的地址（即 RIP）。
  • 所以可以在编译时计算出目标数据与当前指令之间的偏移量，而不需要知道数据的绝对地址。

这就允许编译器生成位置无关代码，即使程序被加载到不同的内存地址，偏移量仍然有效。

  1. 其他寄存器值是动态的，不可预测
  • 比如 RBX、RAX、RDI 等寄存器，它们的值在运行时可能被程序修改。
  • 如果用这些寄存器做基址寻址，编译器就无法提前知道它们的值，也就无法生成稳定的偏移量。
  1. 支持共享库和地址空间布局随机化（ASLR）
  • RIP 相对寻址让代码段不依赖固定地址，可以被多个进程共享。
  • 也支持操作系统在运行时随机加载地址，提高安全性（ASLR）。
  1. 节省指令空间
  • 使用 RIP 相对寻址只需要一个 32 位偏移量。
  • 如果使用绝对地址，需要嵌入完整的 64 位地址，指令长度更长，效率更低。

为什么使用 RIP 相对寻址只需要一个 32 位偏移量

在 x86-64 架构中，RIP 相对寻址的偏移量被设计为一个有符号的 32 位整数，也就是一个 displacement（位移）字段，它在机器码中只占用 4 个字节。

  • RIP 是 64 位的指令指针，表示当前指令的地址。

  • RIP 相对寻址的目标地址是通过：

    目标地址 = 下一条指令地址（RIP） + 32 位偏移量

  • 这个偏移量是一个 有符号整数，所以它的范围是：

    从 −2³¹ 到 +2³¹−1，即 ±2GB 的寻址范围。

这意味着，当前指令附近 ±2GB 范围内的任何数据都可以通过 RIP 相对寻址访问。

优点 说明
✅ 节省空间 只用 4 字节表示偏移，比使用完整 64 位地址节省指令长度
✅ 支持位置无关代码 编译器只需计算偏移，不依赖绝对地址
✅ 高效 CPU 执行时只需加法运算，无需查表或重定位
✅ 安全 支持地址空间布局随机化（ASLR），提高安全性

为什么可以被多个进程共享？

因为代码中不再硬编码具体地址，多个进程可以：

  • 使用同一份物理内存中的代码段。
  • 每个进程有自己的数据段，但共享同一份只读代码。

这大大节省了内存，提高了系统效率。

举个例子：

进程 加载地址 使用的代码段
A 0x400000 使用共享代码段
B 0x500000 使用共享代码段

两者的代码段内容完全一样，因为里面的寻址是相对 RIP 的，不依赖于加载地址。

为什么绝对寻址不可以被多进程共享？

  • 每个进程的虚拟地址空间是独立的
    • 操作系统为每个进程分配独立的虚拟地址空间。
    • 即使两个进程都加载了同一个程序，它们的地址空间可能完全不同。
    • 如果代码中使用绝对地址，加载到不同地址空间后，这些地址就不再有效。

所以，绝对地址在一个进程中是有效的，在另一个进程中可能就指向错误的地方或根本不存在。

  • 需要重定位，无法直接共享物理页

    • 如果使用绝对地址，操作系统必须在每个进程加载时对代码进行“重定位”，修改指令中的地址。
    • 一旦修改，代码段就变成了进程私有，不能共享同一份物理内存。
    • 而位置无关代码（如使用 RIP 相对寻址）不需要修改，可以直接映射到多个进程的地址空间。

  • 违反共享库的设计原则

    • 动态链接库（如 .so 或 .dll）的核心优势就是可以被多个进程共享。
    • 如果库中使用绝对地址，每个进程都要有自己的副本，失去了共享的意义。
    • 正确做法是使用位置无关代码（PIC），让库在任意地址都能运行。
区域 是否可共享 原因说明
代码段 ✅ 是 只读 + 位置无关，多个进程可映射同一物理页
数据段 ❌ 否 每个进程的数据不同，需独立副本
堆 ❌ 否 动态分配，地址空间不同
栈 ❌ 否 私有调用栈，不能混用
共享内存段 ✅ 是 显式创建，专门用于共享

如果你想深入了解某个进程的内存布局，可以分析 /proc/[pid]/maps 或用工具如 pmap、vmmap。