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Android Native库的加载及动态链接的过程

2019-10-22 18:16:36
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来源:转载
供稿:网友

Native库的装载过程

我们从一个简单的NDK Demo开始分析。

public class MainActivity extends AppCompatActivity { @Override protected void onCreate(Bundle savedInstanceState) {  super.onCreate(savedInstanceState);  setContentView(R.layout.activity_main);  // Example of a call to a native method  final TextView tv = (TextView) findViewById(R.id.sample_text);  tv.setOnClickListener(new View.OnClickListener() {   @Override   public void onClick(View view) {    tv.setText(stringFromJNI());   }  }); } /**  * A native method that is implemented by the 'native-lib' native library,  * which is packaged with this application.  */ public native String stringFromJNI(); // Used to load the 'native-lib' library on application startup. // 动态库的装载及链接 static {  System.loadLibrary("native-lib"); }}

Android 链接器Linker之前的工作

android,native库,加载动态链接库

下面从 System.loadLibrary() 开始分析。

public static void loadLibrary(String libname) {  这里VMStack.getCallingClassLoader()返回应用的类加载器  Runtime.getRuntime().loadLibrary0(VMStack.getCallingClassLoader(), libname); }

下面看 loadLibrary0()

synchronized void loadLibrary0(ClassLoader loader, String libname) {  if (libname.indexOf((int)File.separatorChar) != -1) {   throw new UnsatisfiedLinkError( "Directory separator should not appear in library name: " + libname);  }  String libraryName = libname;  if (loader != null) {   // findLibrary()返回库的全路径名   String filename = loader.findLibrary(libraryName);   if (filename == null) {    // It's not necessarily true that the ClassLoader used    // System.mapLibraryName, but the default setup does, and it's    // misleading to say we didn't find "libMyLibrary.so" when we    // actually searched for "liblibMyLibrary.so.so".    throw new UnsatisfiedLinkError(loader + " couldn't find /"" +            System.mapLibraryName(libraryName) + "/"");   }   // 装载动态库   String error = doLoad(filename, loader);   if (error != null) {    throw new UnsatisfiedLinkError(error);   }   return;  }  ...... }

参数 loader 为Android的应用类加载器,它是 PathClassLoader 类型的对象,继承自 BaseDexClassLoader 对象,下面看 BaseDexClassLoader 的 findLibrary() 方法。

public String findLibrary(String name) {  // 调用DexPathList的findLibrary方法  return pathList.findLibrary(name); }

下面看 DexPathList 的 findLibrary() 方法

public String findLibrary(String libraryName) {  // 产生平台相关的库名称这里返回libxxx.so  String fileName = System.mapLibraryName(libraryName);  for (Element element : nativeLibraryPathElements) {   // 查找动态库返回库的全路径名   String path = element.findNativeLibrary(fileName);   if (path != null) {    return path;   }  }  return null; }

回到 loadLibrary0() ,有了动态库的全路径名就可以装载库了,下面看 doLoad() 。

private String doLoad(String name, ClassLoader loader) {  ......  // 获取应用类加载器的Native库搜索路径  String librarySearchPath = null;  if (loader != null && loader instanceof BaseDexClassLoader) {   BaseDexClassLoader dexClassLoader = (BaseDexClassLoader) loader;   librarySearchPath = dexClassLoader.getLdLibraryPath();  }  // nativeLoad should be synchronized so there's only one LD_LIBRARY_PATH in use regardless  // of how many ClassLoaders are in the system, but dalvik doesn't support synchronized  // internal natives.  synchronized (this) {   return nativeLoad(name, loader, librarySearchPath);  } }

nativeLoad() 最终调用 LoadNativeLibrary() ,下面直接分析 LoadNativeLibrary() 。

bool JavaVMExt::LoadNativeLibrary(JNIEnv* env,         const std::string& path,         jobject class_loader,         jstring library_path,         std::string* error_msg) { ...... SharedLibrary* library; Thread* self = Thread::Current(); { // TODO: move the locking (and more of this logic) into Libraries. // 检查动态库是否已经装载过,如果已经装载过(类加载器也匹配)直接返回。 MutexLock mu(self, *Locks::jni_libraries_lock_); library = libraries_->Get(path); } ...... // 没有装载过,装载链接动态库 // 参数patch_str传递的是动态库的全路径,之所以还要传递搜索路径,是因为可能包含它的依赖库 void* handle = android::OpenNativeLibrary(env,           runtime_->GetTargetSdkVersion(),           path_str,           class_loader,           library_path); ...... // 查找动态库中的"JNI_OnLoad"函数 sym = library->FindSymbol("JNI_OnLoad", nullptr); if (sym == nullptr) { VLOG(jni) << "[No JNI_OnLoad found in /"" << path << "/"]"; was_successful = true; } else { // Call JNI_OnLoad. We have to override the current class // loader, which will always be "null" since the stuff at the // top of the stack is around Runtime.loadLibrary(). (See // the comments in the JNI FindClass function.) ScopedLocalRef<jobject> old_class_loader(env, env->NewLocalRef(self->GetClassLoaderOverride())); self->SetClassLoaderOverride(class_loader); VLOG(jni) << "[Calling JNI_OnLoad in /"" << path << "/"]"; typedef int (*JNI_OnLoadFn)(JavaVM*, void*); JNI_OnLoadFn jni_on_load = reinterpret_cast<JNI_OnLoadFn>(sym); // 调用库的JNI_OnLoad函数注册JNI, 本文暂不讨论 int version = (*jni_on_load)(this, nullptr); ...... } ......}

对于JNI注册,这里暂不讨论,下面看 OpenNativeLibrary() 的实现。

void* OpenNativeLibrary(JNIEnv* env,      int32_t target_sdk_version,      const char* path,      jobject class_loader,      jstring library_path) {#if defined(__ANDROID__) UNUSED(target_sdk_version); if (class_loader == nullptr) { return dlopen(path, RTLD_NOW); } std::lock_guard<std::mutex> guard(g_namespaces_mutex); // 找到类加载器映射的命名空间(Android应用类加载器创建时创建) // 关于命名空间的动态链接请参考http://jackwish.net/namespace-based-dynamic-linking-chn.html android_namespace_t* ns = g_namespaces->FindNamespaceByClassLoader(env, class_loader); ....... android_dlextinfo extinfo; // 在一个不同的命名空间中装载 extinfo.flags = ANDROID_DLEXT_USE_NAMESPACE; extinfo.library_namespace = ns; // RILD_NOW表示重定位在dlopen返回前完成,不会延迟到第一次执行(RTLD_LAZY) return android_dlopen_ext(path, RTLD_NOW, &extinfo); ......}

下面看 android_dlopen_ext() 的实现

void* android_dlopen_ext(const char* filename, int flags, const android_dlextinfo* extinfo) { // __builtin_return_address是编译器的内建函数,__builtin_return_address(0)表示当前函数的返回地址 void* caller_addr = __builtin_return_address(0); return dlopen_ext(filename, flags, extinfo, caller_addr);}

接下来就Android链接器linker的工作了。

Android 链接器Linker的装载工作

android,native库,加载动态链接库

下面从 do_dlopen() 开始分析。

void* do_dlopen(const char* name, int flags, const android_dlextinfo* extinfo,     void* caller_addr) { // caller_addr在libnativeloader.so中 // 查找地址所在的动态库(采用遍历查找,可以优化查找) soinfo* const caller = find_containing_library(caller_addr); // ns为调用库所在命名空间 android_namespace_t* ns = get_caller_namespace(caller); ...... if (extinfo != nullptr) { ...... // extinfo->flags为ANDROID_DLEXT_USE_NAMESPACE if ((extinfo->flags & ANDROID_DLEXT_USE_NAMESPACE) != 0) {  if (extinfo->library_namespace == nullptr) {  DL_ERR("ANDROID_DLEXT_USE_NAMESPACE is set but extinfo->library_namespace is null");  return nullptr;  }  // 命名空间使用应用自身类加载器-命名空间  ns = extinfo->library_namespace; } } ...... // 在命名空间ns中装载库 soinfo* si = find_library(ns, translated_name, flags, extinfo, caller); ......}

find_library() 当参数translated_name不为空时,直接调用 find_libraries() ,这是装载链接的关键函数,下面看它的实现。

static bool find_libraries(android_namespace_t* ns,       soinfo* start_with,       const char* const library_names[],       size_t library_names_count, soinfo* soinfos[],       std::vector<soinfo*>* ld_preloads,       size_t ld_preloads_count, int rtld_flags,       const android_dlextinfo* extinfo,       bool add_as_children) { // ns为应用类加载器-命名空间 // 这里start_with为libnativeloader.so的soinfo // library_names为需要装载的动态库,不包含依赖库 // library_names_count需要装载的动态库的数量,这里为1 // ld_preloads为nullptr // add_as_children为false ...... // 为需要装载的动态库创建LoadTask添加到load_tasks // LoadTask用于管理动态库的装载 for (size_t i = 0; i < library_names_count; ++i) { const char* name = library_names[i]; load_tasks.push_back(LoadTask::create(name, start_with, &readers_map)); } // Construct global_group. // 收集命名空间ns中设置了DF_1_GLOBAL(RTLD_GLOBAL:共享库中的符号可被后续装载的库重定位)标志的动态库 soinfo_list_t global_group = make_global_group(ns); ...... // Step 1: expand the list of load_tasks to include // all DT_NEEDED libraries (do not load them just yet) // load_tasks以广度优先遍历的顺序存储动态库依赖树 // 例如依赖树: 1 //   / / //   2 3 //   /  / //  4  5 // load_tasks: 1->2->3->4->5 for (size_t i = 0; i<load_tasks.size(); ++i) { LoadTask* task = load_tasks[i]; soinfo* needed_by = task->get_needed_by(); bool is_dt_needed = needed_by != nullptr && (needed_by != start_with || add_as_children); task->set_extinfo(is_dt_needed ? nullptr : extinfo); task->set_dt_needed(is_dt_needed); // 收集动态库的信息以及它的依赖库 if(!find_library_internal(ns, task, &zip_archive_cache, &load_tasks, rtld_flags)) {  return false; } soinfo* si = task->get_soinfo(); if (is_dt_needed) {  // si添加到needed_by的依赖中  needed_by->add_child(si); } if (si->is_linked()) {  // 已经链接过的库增加引用计数  si->increment_ref_count(); } ...... if (soinfos_count < library_names_count) {  soinfos[soinfos_count++] = si; } } // Step 2: Load libraries in random order (see b/24047022) LoadTaskList load_list; // 需要装载的库放到load_list中 for (auto&& task : load_tasks) { soinfo* si = task->get_soinfo(); auto pred = [&](const LoadTask* t) {  return t->get_soinfo() == si; }; if (!si->is_linked() &&  std::find_if(load_list.begin(), load_list.end(), pred) == load_list.end() ) {  load_list.push_back(task); } } // 随机化load_list中库的顺序 shuffle(&load_list); for (auto&& task : load_list) { // 装载动态库 if (!task->load()) {  return false; } } // Step 3: pre-link all DT_NEEDED libraries in breadth first order. // 预链接load_tasks中没有链接过的库,见下文 for (auto&& task : load_tasks) { soinfo* si = task->get_soinfo(); if (!si->is_linked() && !si->prelink_image()) {  return false; } } // Step 4: Add LD_PRELOADed libraries to the global group for // future runs. There is no need to explicitly add them to // the global group for this run because they are going to // appear in the local group in the correct order. if (ld_preloads != nullptr) { for (auto&& si : *ld_preloads) {  si->set_dt_flags_1(si->get_dt_flags_1() | DF_1_GLOBAL); } } // Step 5: link libraries. // 链接过程,见下文 soinfo_list_t local_group; // 广度优先遍历添加动态库依赖图到local_group中 walk_dependencies_tree(  (start_with != nullptr && add_as_children) ? &start_with : soinfos,  (start_with != nullptr && add_as_children) ? 1 : soinfos_count,  [&] (soinfo* si) { local_group.push_back(si); return true; }); // We need to increment ref_count in case // the root of the local group was not linked. bool was_local_group_root_linked = local_group.front()->is_linked(); bool linked = local_group.visit([&](soinfo* si) { if (!si->is_linked()) {  if (!si->link_image(global_group, local_group, extinfo)) {  return false;  } } return true; }); if (linked) { // 设置链接标志 local_group.for_each([](soinfo* si) {  if (!si->is_linked()) {  si->set_linked();  } }); failure_guard.disable(); } ......}

find_libraries() 中动态库的装载可以分为两部分

  • 收集动态库的信息及其依赖库
  • 装载动态库及依赖库
  • 收集动态库的信息及依赖库

下面从 find_library_internal() 开始分析。

static bool find_library_internal(android_namespace_t* ns,         LoadTask* task,         ZipArchiveCache* zip_archive_cache,         LoadTaskList* load_tasks,         int rtld_flags) { soinfo* candidate; // 在应用类加载器-命名空间中查找动态库是否已经装载过 if (find_loaded_library_by_soname(ns, task->get_name(), &candidate)) { task->set_soinfo(candidate); return true; } // 在默认命名空间中查找动态库是否已经装载过 if (ns != &g_default_namespace) { // check public namespace candidate = g_public_namespace.find_if([&](soinfo* si) {  return strcmp(task->get_name(), si->get_soname()) == 0; }); ...... } ...... // 装载库 if (load_library(ns, task, zip_archive_cache, load_tasks, rtld_flags)) { return true; } else { // In case we were unable to load the library but there // is a candidate loaded under the same soname but different // sdk level - return it anyways. if (candidate != nullptr) {  task->set_soinfo(candidate);  return true; } } return false;}

下面分析 load_library()

static bool load_library(android_namespace_t* ns,       LoadTask* task,       ZipArchiveCache* zip_archive_cache,       LoadTaskList* load_tasks,       int rtld_flags) { ...... // 打开库文件返回文件描述符 int fd = open_library(ns, zip_archive_cache, name, needed_by, &file_offset, &realpath); if (fd == -1) { DL_ERR("library /"%s/" not found", name); return false; } task->set_fd(fd, true); task->set_file_offset(file_offset); // 装载库 return load_library(ns, task, load_tasks, rtld_flags, realpath);}

下面看另一个 load_library() 的实现

static bool load_library(android_namespace_t* ns,       LoadTask* task,       LoadTaskList* load_tasks,       int rtld_flags,       const std::string& realpath) { off64_t file_offset = task->get_file_offset(); const char* name = task->get_name(); const android_dlextinfo* extinfo = task->get_extinfo(); ...... // 为动态库创建soinfo,用于记录动态链接信息等 soinfo* si = soinfo_alloc(ns, realpath.c_str(), &file_stat, file_offset, rtld_flags); if (si == nullptr) { return false; } task->set_soinfo(si); // Read the ELF header and some of the segments. // 读取ELF文件头以及一些段信息 if (!task->read(realpath.c_str(), file_stat.st_size)) { soinfo_free(si); task->set_soinfo(nullptr); return false; } ...... // 查找依赖库,创建LoadTask添加到load_tasks for_each_dt_needed(task->get_elf_reader(), [&](const char* name) { load_tasks->push_back(LoadTask::create(name, si, task->get_readers_map())); }); return true;}

下面分析ELF文件头以及段信息的读取过程,也就是LoadTask的 read() ,它直接调用ElfReader的 Read() 方法。

bool ElfReader::Read(const char* name, int fd, off64_t file_offset, off64_t file_size) { CHECK(!did_read_); CHECK(!did_load_); name_ = name; fd_ = fd; file_offset_ = file_offset; file_size_ = file_size; if (ReadElfHeader() &&  VerifyElfHeader() &&  ReadProgramHeaders() &&  ReadSectionHeaders() &&  ReadDynamicSection()) { did_read_ = true; } return did_read_;}ReadElfHeader() : 读取ELF文件头信息VerifyElfHeader() : 校验ELF(文件类型等)ReadProgramHeaders() : 根据ELF文件头信息获取程序头表ReadSectionHeaders() : 根据ELF文件头信息获取段头表ReadDynamicSection() : 获取Dynamic Section的信息装载动态库动态库的装载在LoadTask的 load() 中实现。bool load() { ElfReader& elf_reader = get_elf_reader(); // 映射动态库的可加载Segment到进程的虚拟地址空间中 if (!elf_reader.Load(extinfo_)) {  return false; } // 保存装载信息 // 动态库装载的起始地址 si_->base = elf_reader.load_start(); // 可装载的Segment大小之和 si_->size = elf_reader.load_size(); si_->set_mapped_by_caller(elf_reader.is_mapped_by_caller()); // 动态库装载的期望起始地址,通常si_->load_bias = si_->base si_->load_bias = elf_reader.load_bias(); // 动态库程序头表项数 si_->phnum = elf_reader.phdr_count(); // 动态库程序头表的地址 si_->phdr = elf_reader.loaded_phdr(); return true; }

在实际的地址计算中,使用si_->load_bias,不使用si_->base。

下面看ElfReader的 Load() 方法

bool ElfReader::Load(const android_dlextinfo* extinfo) { CHECK(did_read_); CHECK(!did_load_); if (ReserveAddressSpace(extinfo) &&  LoadSegments() &&  FindPhdr()) { did_load_ = true; } return did_load_;}

ReserveAddressSpace(): 保留虚拟地址空间为动态库(装载地址随机化)
LoadSegments() : 装载ELF文件中可装载的Segments
FindPhdr() : 确保程序头表包含在一个可加载的Segment中

动态库的装载已经完成,下面看链接过程。

Native库动态链接的过程

android,native库,加载动态链接库

预链接

下面看 prelink_image()

bool soinfo::prelink_image() { /* Extract dynamic section */ ElfW(Word) dynamic_flags = 0; // 根据程序头表的地址计算dynamic section的地址 phdr_table_get_dynamic_section(phdr, phnum, load_bias, &dynamic, &dynamic_flags); ...... uint32_t needed_count = 0; // 解析dynamic section获取动态链接信息 for (ElfW(Dyn)* d = dynamic; d->d_tag != DT_NULL; ++d) { DEBUG("d = %p, d[0](tag) = %p d[1](val) = %p",   d, reinterpret_cast<void*>(d->d_tag), reinterpret_cast<void*>(d->d_un.d_val)); switch (d->d_tag) {  ......  case DT_STRTAB:  // 动态字符串表的地址  strtab_ = reinterpret_cast<const char*>(load_bias + d->d_un.d_ptr);  break;  case DT_STRSZ:  strtab_size_ = d->d_un.d_val;  break;  case DT_SYMTAB:  // 动态符号表的地址  symtab_ = reinterpret_cast<ElfW(Sym)*>(load_bias + d->d_un.d_ptr);  break;  ......  case DT_JMPREL:  // 需重定位的函数表(.rela.plt)的地址#if defined(USE_RELA)  plt_rela_ = reinterpret_cast<ElfW(Rela)*>(load_bias + d->d_un.d_ptr);#else  plt_rel_ = reinterpret_cast<ElfW(Rel)*>(load_bias + d->d_un.d_ptr);#endif  break;  ......  case DT_RELA:  // 需重定位的数据表(.rela.dyn)的地址  rela_ = reinterpret_cast<ElfW(Rela)*>(load_bias + d->d_un.d_ptr);  break;  ......  case DT_NEEDED:  // 依赖的动态库  ++needed_count;  break; } } ...... // Sanity checks. // 检查动态链接信息 if (relocating_linker && needed_count != 0) { DL_ERR("linker cannot have DT_NEEDED dependencies on other libraries"); return false; } if (nbucket_ == 0 && gnu_nbucket_ == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_HASH/DT_GNU_HASH in /"%s/" "  "(new hash type from the future?)", get_realpath()); return false; } if (strtab_ == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_STRTAB in /"%s/"", get_realpath()); return false; } if (symtab_ == 0) { DL_ERR("empty/missing DT_SYMTAB in /"%s/"", get_realpath()); return false; } ......}

链接

链接主要完成符号重定位工作,下面从 link_image() 开始分析

bool soinfo::link_image(const soinfo_list_t& global_group, const soinfo_list_t& local_group,      const android_dlextinfo* extinfo) { ......#if defined(USE_RELA) // rela_为重定位数据表的地址 if (rela_ != nullptr) { DEBUG("[ relocating %s ]", get_realpath()); // 数据引用重定位 if (!relocate(version_tracker,   plain_reloc_iterator(rela_, rela_count_), global_group, local_group)) {  return false; } } // plt_rela_为重定位函数表的地址 if (plt_rela_ != nullptr) { DEBUG("[ relocating %s plt ]", get_realpath()); // 函数引用重定位 if (!relocate(version_tracker,   plain_reloc_iterator(plt_rela_, plt_rela_count_), global_group, local_group)) {  return false; } }#else ......}

下面以函数引用重定位为例分析 relocate() 方法

template<typename ElfRelIteratorT>bool soinfo::relocate(const VersionTracker& version_tracker, ElfRelIteratorT&& rel_iterator,      const soinfo_list_t& global_group, const soinfo_list_t& local_group) { for (size_t idx = 0; rel_iterator.has_next(); ++idx) { const auto rel = rel_iterator.next(); if (rel == nullptr) {  return false; } // rel->r_info的低32位 ElfW(Word) type = ELFW(R_TYPE)(rel->r_info); // rel->r_info的高32位 ElfW(Word) sym = ELFW(R_SYM)(rel->r_info); // 重定位地址的存储位置 ElfW(Addr) reloc = static_cast<ElfW(Addr)>(rel->r_offset + load_bias); ElfW(Addr) sym_addr = 0; const char* sym_name = nullptr; ElfW(Addr) addend = get_addend(rel, reloc); ...... if (sym != 0) {  // sym为动态符号表项的索引  // symtab_[sym].st_name为符号在动态字符串表的索引  // sysm_name为需重定位的符号名  sym_name = get_string(symtab_[sym].st_name);  const version_info* vi = nullptr;  if (!lookup_version_info(version_tracker, sym, sym_name, &vi)) {  return false;  }  // 查找符号返回符号表项的地址  if (!soinfo_do_lookup(this, sym_name, vi, &lsi, global_group, local_group, &s)) {  return false;  }  if (s == nullptr) {  ......  } else {  ......  // 根据符号表项计算符号地址  sym_addr = lsi->resolve_symbol_address(s);  ......  }  ...... } switch (type) {  // ELF64中R_GENERIC_JUMP_SLOT = R_AARCH64_JUMP_SLOT  case R_GENERIC_JUMP_SLOT:  count_relocation(kRelocAbsolute);  MARK(rel->r_offset);  TRACE_TYPE(RELO, "RELO JMP_SLOT %16p <- %16p %s/n",     reinterpret_cast<void*>(reloc),     reinterpret_cast<void*>(sym_addr + addend), sym_name);  // 符号地址更新到reloc(GOT表)中  *reinterpret_cast<ElfW(Addr)*>(reloc) = (sym_addr + addend);  break;  ...... } } return true;}

参考

Tool Interface Standard (TIS) Executable and Linking Format (ELF) Specification

总结

以上所述是小编给大家介绍的Android Native库的加载及动态链接的过程,希望对大家有所帮助,如果大家有任何疑问请给我留言,小编会及时回复大家的。在此也非常感谢大家对VEVB武林网网站的支持!


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