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11 动态链接和加载
11.1 动态链接：机制
以前玩游戏经常出现缺少安装库的问题，这其实是游戏中用到了动态加载。
不同软件可能用到相同的功能，使用动态链接可以节省资源。
“拆解应用程序”的需求
实现运行库和应用代码分离
- 应用之间的库共享
- 每个程序都需要 glibc（Linux）
- 但系统里只需要一个副本就可以了
- 是的，我们可以用 ldd 命令查看（可以查看程序依赖了哪些动态库）
- 运行库和应用代码还可以分别独立升级（库和应用分离后，可以单独升级库而不必重新编译所有程序）
- 大型项目的分解
动态链接：机制
库的依赖也是一种代码克隆
- 震惊世界的 xz-utils (liblzma) 投毒事件
Note
-
动态链接并不是完全安全的：如果库本身被篡改，依赖它的所有程序都会受到影响。
-
xz-utils/liblzma 投毒事件就是例子：攻击者偷偷修改了库的代码，绕过了检测工具（如 oss-fuzz），导致很多依赖该库的程序受到影响。
-
这里强调了动态链接库共享的风险：库是代码复用的一种形式，但也可能放大安全问题。
如果 Linux 应用世界是静态链接的……
- libc 紧急发布安全补丁 → 重新链接所有应用
- Semantic Versioning
- “Compatible” 是个有些微妙的定义
- “Dependency hell”
- 静态链接下，这种兼容性问题可能导致“依赖地狱（Dependency hell）”，程序不得不同时管理多个版本的库。
11.2 mmap 和虚拟内存
程序
- 构造一个非常大的 libbloat.so
- 我们的例子：100M of nop (0x90)
实验
- 创建 1,000 个进程动态链接 libbloat.so 的进程
- 观察系统的内存占用情况
- 100MB or 100GB?
- (如果是后者，直播会立即翻车)
- Prototypes are easy. Production is hard. (Elon Musk)
答案是不会，操作系统能够进行虚拟内存管理。
Note
mmap 是 memory map（内存映射） 的缩写。
它的作用是：
把文件或者设备映射到进程的虚拟内存地址空间中
也就是说，文件内容可以“像数组一样”直接在内存中访问，而不需要通过 read()/write() 系统调用来复制数据。
| 方式 | 特点 |
|---|---|
read() |
需要把文件内容复制到内存 → 占用额外内存，I/O 开销大 |
mmap() |
文件直接映射到虚拟内存 → 按需加载，支持共享，效率高 |
动态链接程序启动时，内核并不直接加载 libc，而是先根据 ELF 的 INTERP 段启动动态链接器 ld.so，由 ld.so 在用户态通过 mmap 加载并重定位 libc 和其他共享库，多个进程只读共享同一份物理内存。
mmap 和虚拟内存
背后的机制：虚拟内存管理
地址空间表面是 “若干连续的内存段”
- 通过 mmap/munmap/mprotect 维护
- 实际是分页机制维护的 “幻象”
Note
对于进程来说，它看到的虚拟内存好像是一块连续的线性空间：
- 代码段（text）
- 数据段（data）
- 堆（heap）
- 栈（stack）
- 动态库映射区（mmap 的结果）
实际机制：
- 这些段并不是连续的物理内存
- 内核通过 页表 + 分页机制 把虚拟地址映射到物理页
- 虚拟地址的连续性只是“幻象”，让程序觉得自己在操作一整块内存
相关系统调用：
mmap()/munmap()→ 映射/取消映射mprotect()→ 修改权限（读/写/执行）
Virtual Memory
- 操作系统维护 “memory mappings” 的数据结构
- 这个数据结构很紧凑 (“哪一段映射到哪里了”)
- 延迟加载
- 不到万不得已，不给进程分配内存（物理内存只有在访问虚拟页时才分配）
- 写时复制 (Copy-on-Write)
fork()时，父子进程先只读共享全部地址空间- Page fault 时，写者复制一份
Memory Deduplication; Compression & Swapping
- 反正都是虚拟内存了
- 悄悄扫描内存
- 如果有重复的 read-only pages，合并
- (如果硬件提供 page hash 就更好了)
- 悄悄扫描内存
- 发现 cold pages，可以压缩/swap 到硬盘
- (硬件提供了 Access/Dirty bit)
- 我们还能悄悄扫描内存做什么？
- 悄悄扫描内存
Note
| 功能分类 | 具体作用 | 技术/机制说明 |
|---|---|---|
| 内存去重（Deduplication） | 将多个进程中相同的只读页合并为同一物理页 | 共享库代码页、静态只读数据页；硬件 page hash 可加速 |
| 内存压缩（Compression） | 将不常用的页压缩以节省物理内存 | Linux zswap/zram；按需解压使用 |
| 换出/交换（Swapping） | 将冷页 swap 到磁盘，为热页腾出空间 | 利用 Access/Dirty bit 判断冷页 |
| 共享只读库 | 多个进程共享同一份 libc、libstdc++ 等库的代码页 | mmap + MAP_PRIVATE/MAP_SHARED 映射 |
| 写时复制（Copy-on-Write）优化 | fork 后父子进程共享页，写入时才复制 | 延迟复制，减少 fork 内存开销 |
| 安全隔离 / 沙箱 | 监控页访问权限，保护敏感内存 | mprotect + 访问异常捕获 |
| 页面预取（Prefetch） | 根据访问模式预测访问页，提前加载 | 避免 page fault，提高性能 |
| 快照 / 增量备份 | 进程或虚拟机快照，支持备份与恢复 | 利用页位图标记修改页，增量复制 |
| 垃圾回收辅助 | 语言运行时扫描页位图，优化 GC | JVM、Python 等运行时可利用访问标记 |
11.3 实现动态链接
