DLL s ligação estática na construção e dinâmica no carregamento

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1 DLL s ligação estática na construção e dinâmica no carregamento x.dll app.exe process virtual address space.edata x.lib.idata x.dll.bss import stubs app.obj StaticLinker (Link.exe) Construção do Executável (Ligação estática) app.exe.reloc.idata Dynamic Linker (ntdll.dll) app.exe Ligação dinâmica no carregamento do executável.idata (Import Table).bss Sistemas Operativos 1

2 DLL s Detalhe da ligação dinâmica app.exe PE header app base address.reloc (RVA table).idata Import Name Table Import Address Table x.dll Dynamic Linker (ntdll.dll) app.exe process virtual address space.bss.idata (Import Tables).bss x.dll PE header dll base address.reloc (RVA table).edata Export Name Table Export Address Table (RVAs) app.exe Sistemas Operativos 2

3 Produção e consumo de bibliotecas de ligação dinâmica(dll s) define DLLMATH_EXPORTS on DLL build #include "stdafx.h" #include "dllmath.h" int add(int oper1, int oper2) { return oper1 + oper2; #ifdef DLLMATH_EXPORTS #define DLLMATH_API _declspec(dllexport) #else #define DLLMATH_API _declspec(dllimport) #endif #ifdef cplusplus extern C { #endif DLLMATH_API int add(int op1, int op2); #ifdef cplusplus #endif dllmath.c #include <stdafx.h> #include dllmath.h int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { dllmath.h _tprintf(_t("%d\n"), add(3,5)); ficheiro de include, partilhado entre DLL e clientes que inclui as funções exportadas e tipos usados nos respectivos parâmetros. mathclient.c other libs & objs build (compile and link) build (compile and link) other libs & obs dllmath.dll dllmath.lib mathclient.exe Sistemas Operativos 3

4 Produção e consumo de Bibliotecas de Ligação Dinâmica(DLL s) all: dllmath.dll mathclient.exe Exemplo de utilização do compilador e do linker em comandos de linha para a produção e consumo de dll s. O makefile exemplifica os comandos necessários, admitindo que as fontes estão na mesma directoria. dllmath.dll: dllmath.obj dllmain.obj link /DLL dllmath.obj dllmain.obj dllmath.obj: dllmath.c cl /c /D dllmath_exports dllmath.c mathclient.exe: mathclient.obj link mathclient.obj dllmath.lib mathclient.obj: mathclient.c cl /c /MD mathclient.c Utilizar a import library (msvcrtd.lib) associada à versão dll do runtime do C (msvcr100.dll). Na sua omissão é usada a biblioteca estática com o runtime (libcmtd.lib). Notem a diferença de tamanho do executável entre os dois casos Sistemas Operativos 4

5 dumpbin (exports & imports) Dump of file dllmath.dll File Type: DLL Section contains the following exports for DLLMATH.dll characteristics 4D9835A0 time date stamp Sun Apr 03 09:53: version 1 ordinal base 1 number of functions 1 number of names ordinal hint RVA name add Summary dumpbin /exports dllmath.dll rdata 1000.reloc 5000 Inicialmente os linkers colocavam a tabela de exports na secção.edata. Actualmente encontra-se na secção de dados constantes (.rdata). dumpbin /imports mathclient.exe Dump of file mathclient.exe File Type: EXECUTABLE IMAGE Section contains the following imports: dll2.dll 4020B4 Import Address Table 4022A8 Import Name Table 0 add MSVCR100.dll Import Address Table Import Name Table 5D7 printf 573 exit 3C9 _onexit KERNEL32.dll Import Address Table 4021F4 Import Name Table 1C0 GetCurrentProcess 4C0 TerminateProcess Summary rdata 1000.reloc 1000 Neste caso as tabelas de import também ficaram na secção.rdata Sistemas Operativos 5

6 Convenções de chamada Por omissão, na chamada de funções, na convenção usada por omissão pelo compilador de C o chamador desempilha os argumentos (add esp, n). No Windows é usada, por razões históricas, outra convenção de chamada. A função invocada é que desempilha os argumentos (ret n). Usa-se o atributo do compilador stdcall (ou a macro equivalente WINAPI) a prefixar o nome da função, para especificar este comportamento. Tal opção permite poupar algum código pois o ajuste do stack fica centralizado. Usando a assinatura DLLMATH_API int WINAPI add(int op1, int op2) para a função exportada, as tabelas de export da dll e import do executável sofrem as seguintes modificações: Dump of file dllmath.dll File Type: DLL Section contains the following exports for DLLMATH.dll ordinal hint RVA name _add@8 Dump of file mathclient.exe File Type: EXECUTABLE IMAGE Section contains the following imports: dll2.dll 4020B4 Import Address Table 4022A8 Import Name Table 0 _add@8 O nome passa a estar decorado com a inclusão da dimensão em bytes dos argumentos a passar à função Sistemas Operativos 6

7 Ligação implícita e explícita A ligação com uma DLL pode ser feita em dois tempos: Em tempo de carregamento do executável quando o executável depende da DLL através de uma import table produzida pela ligação estática com a import library associada à DLL. Neste caso, a ligação dizse automática ou implícita. Em tempo de execução a pedido explícito do programa. Neste caso a ligação diz-se manual ou explícita. Desta forma é possível, por exemplo, escolher a dll a usar em tempo de execução Sistemas Operativos 7

8 Ligação explícita modelo computacional O Windows expõe as seguintes funções para tirar partido da ligação explícita: O mesmo que TCHAR* HMODULE WINAPI LoadLibrary( LPCTSTR lpfilename ); FARPROC WINAPI GetProcAddress( HMODULE hmodule, LPCSTR lpprocname ); BOOL WINAPI FreeLibrary(HMODULE hmodule ); typedef int (WINAPI * AddFuncPtr)(int i1, int i2); O mesmo que char*. É um dos raros casos em que na Windows API se utilizam forçosamente caracteres a 8 bits. Notem a boa prática de especificar através de um typedef a assinatura da função a invocar. Na versão da dll que expõe a função usando a convenção de chamada stdcall (WINAPI) teremos de ter o cuidado de incluír a convenção ou naturalmente o stack é incorrectamente ajustado. Notem também a utilização do nome decorado na função GetProcAddress. int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) { HMODULE hlib; AddFuncPtr addfunc; hlib = LoadLibrary(_T("DLL2.DLL")); addfunc = (AddFuncPtr) GetProcAddress(hLib, "_add@8" ); if (addfunc==null) { _tprintf(_t("gelasterror=%d\n"), GetLastError()); return 1; _tprintf(_t("%d\n"), addfunc(3,5)); FreeLibrary(hLib); return 0; Sistemas Operativos 8

9 dll entry point: DllMain As dll s podem ter um entry point (DllMain). O entry point é invocado nas seguintes situações, entre outras que veremos adiante: Da primeira vez que a dll é carregada no espaço de endereçamento de um processo (DLL_PROCESS_ATTACH), quer na ligação implícita quer na ligação explícita. Quando a dll for retirada do espaço de endereçamento (DLL_PROCESS_DETACH). Isto ocorre no último FreeLibrary ou em fase de terminação do processo. O código seguinte exemplifica a utilização: #include "stdafx.h" sinónimo de WINAPI BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hmodule, DWORD reason_for_call, LPVOID reserved){ switch (reason_for_call) { case DLL_PROCESS_ATTACH: _tprintf(_t("starting Math DLL\n")); break; case DLL_THREAD_ATTACH: case DLL_THREAD_DETACH: break; case DLL_PROCESS_DETACH: _tprintf(_t("ending DLLW2\n")); break; return TRUE; Sistemas Operativos 9

10 dll necessidade de relocalização Por omissão o código e os dados da DLL são localizados na ligação estática a partir de 0x O código de acesso a variáveis globais (e às tabelas de import de outras dll s de que esta dependa) foi gerado tendo em conta essa base. O que fazer se a dll não puder ser carregado nesse endereço? Dump of file dllmath.dll OPTIONAL HEADER VALUES 10B magic # (PE32) linker version 3600 size of code 3600 size of initialized data 0 size of uninitialized data 110C8 entry point DllMainCRTStartup@12) 1000 base of code 1000 base of data image base ( to 1001AFFF) 1000 section alignment função para guardar em variável global (estática) a dimensão da página obtida via GetSystemInfo static int savedpagesize; int GetPageSize() { SYSTEM_INFO si; if (savedpagesize == 0) { GetSystemInfo(&si); savedpagesize=si.dwpagesize; return savedpagesize; Excerto do código gerado para a função, localizado de acordo com o link base address por omissão A4 call B1 mov B4 mov dword ptr [ imp GetSystemInfo@4 ( h)] eax,dword ptr [ebp-24h] savedpagesize ( h),eax Sistemas Operativos 10

11 Mecanismo de relocalização Os ficheiros imagem (dlls e executáveis) contém uma secção (.reloc) que é essencialmente uma tabela de RVAs que indica referência a endereços relocalizados. Em tempo de carregamento essas posições de memória são modificadas de acordo com o novo endereço base. Mas o que acontece se houver necessidade de relocalização da DLL no caso desta ser partilhada (como é usual)? Porque razão os executáveis também contêm uma secção.reloc se são sempre carregados no endereço especificado em tempo de ligação? Excerto da tabela de relocações referente ao código do slide anterior e obtida através da opção relocations do comando dumpbin. As colunas representam, respectivamente, o RVA, o tipos da relocação, o valor actual e o símbolo referido AE6 HIGHLOW imp GetSystemInfo@4 AF5 HIGHLOW _savedpagesize Sistemas Operativos 11

12 Optimizações DLL rebase e DLL bind O utilitário rebase permite efectuar a relocalização antecipada de uma dll para o endereço especificado de modo a evitar a recolocação em tempo de carregamento. Deste modo consegue-se maior eficiência em tempo de carregamento e utilização da memória. As dll s do windows estão todas rebased para endereços que evitam colisões. Vantagens de um sistema operativo proprietário REBASE b newbase image-name O comando bind permite efectuar a ligação dinâmica de forma antecipada, isto é, iniciar as import address tables de acordo com os endereços base especificados nas dll s de que depende a imagem sobre a qual é efectuada o bind. Evita a ligação dinâmica se as dll s não forem alteradas e forem carregadas no endereço pré-definido. Caso contrário a ligação dinâmica é efectuada. BIND u image-name Sistemas Operativos 12

13 Bibliografia Windows via C/C++, Fifth Edition, Jeffrey Richter e Christophe Nasarre Cap.19 DLL basics Cap.20 DLL advanced techniques Sistemas Operativos 13

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