gcc 参数 -fPIC

问题：
最近在调试代码的时候遇到一个问题：调用静态库中的函数修改全局变量出现异常(data abort)。
分析：
把代码反汇编，发现是在操作全局变量时使用的相对地址，手动计算发现地址偏移不正确，导致访问的地址是错误的地址，然后出现异常。

解决：
别人指导说修改gcc的PIC参数。查看makefile，发现在编译静态库的时候有-fPIC这个参数。去掉该参数后编译，查看反汇编代码，在操作全局变量时使用的是绝对地址。

在GCC的在线文档中有描述：

-fpic
Generate position-independent code (PIC) suitable for use in a shared library, if supported for the target machine. Such code accesses all constant addresses through a global offset table (GOT). The dynamic loader resolves the GOT entries when the program starts (the dynamic loader is not part of GCC; it is part of the operating system). If the GOT size for the linked executable exceeds a machine-specific maximum size, you get an error message from the linker indicating that -fpic does not work; in that case, recompile with -fPIC instead. (These maximums are 8k on the SPARC, 28k on AArch64 and 32k on the m68k and RS/6000. The x86 has no such limit.)
Position-independent code requires special support, and therefore works only on certain machines. For the x86, GCC supports PIC for System V but not for the Sun 386i. Code generated for the IBM RS/6000 is always position-independent.
When this flag is set, the macros pic and PIC are defined to 1.
-fpic
如果目标计算机支持，则生成适合在共享库中使用的位置无关代码（PIC）。这样的代码通过全局偏移表（GOT）访问所有常量地址。动态加载程序在程序启动时解析GOT条目（动态加载程序不是GCC的一部分；它是操作系统的一部分）。如果链接的可执行文件的GOT大小超过了计算机特定的最大大小，则会从链接器中收到一条错误消息，指示-fpic无法正常工作；在这种情况下，请改用-fPIC重新编译。 （在SPARC上，最大值为8k；在AArch64上，最大值为28k；在m68k和RS / 6000上，最大值为32k。x86没有此限制。）
与位置无关的代码需要特殊的支持，因此仅在某些机器上有效。对于x86，GCC支持PIC for System V，但不支持Sun 386i。为IBM RS / 6000生成的代码始终与位置无关。
设置此标志后，宏__pic__和__PIC__被定义为1。

-fPIC
If supported for the target machine, emit position-independent code, suitable for dynamic linking and avoiding any limit on the size of the global offset table. This option makes a difference on AArch64, m68k, PowerPC and SPARC.
Position-independent code requires special support, and therefore works only on certain machines.
When this flag is set, the macros pic and PIC are defined to 2.
-fPIC
如果目标机器支持，则发出与位置无关的代码，该代码适用于动态链接并避免对全局偏移表的大小进行任何限制。此选项对AArch64，m68k，PowerPC和SPARC有所不同。
与位置无关的代码需要特殊的支持，因此仅在某些机器上有效。
设置此标志后，宏__pic__和__PIC__被定义为2。

fPIC的全称是 Position Independent Code， 用于生成位置无关代码。

动态库

1、不加fPIC选项

即使不加fPIC也可以生成.so文件，但是对于源文件有要求，例如
因为不加fPIC编译的so必须要在加载到用户程序的地址空间时重定向所有表目，所以在它里面不能引用其它地方的代码

如下：

#include <stdio.h>
int func1(int a)
{
    printf("haha a=%d\n", 2);
    a++;
    return a;
}

使用 gcc -shared -o libb3.so c.c 编译将报错

/usr/bin/ld: /tmp/ccCViivC.o: relocation R_X86_64_32 against `.rodata' can not be used when making a shared object; recompile with -fPIC
/tmp/ccCViivC.o: could not read symbols: Bad value

将上述代码中的printf函数注释，则可以编译通过。

对于不加 -fPIC生成的动态库，“ 生成动态库时假定它被加载在地址 0 处。加载时它会被加载到一个地址（base），这时要进行一次重定位（relocation），把代码、数据段中所有的地址加上这个 base 的值。这样代码运行时就能使用正确的地址了。”

2、加fPIC选项

加上fPIC选项生成的动态库，显然是位置无关的。
“这样的代码本身就能被放到线性地址空间的任意位置，无需修改就能正确执行。通常的方法是获取指令指针的值，加上一个偏移得到全局变量/函数的地址。”
加fPIC选项的 源文件对于，它引用的函数头文件编写有很宽松的尺度。
比如只需要包含个声明的函数的头文件，即使没有相应的C文件来实现，编译成so库照样可以通过。

3、在内存引用上，加不加fPIC的异同：

加-fPIC:
加了fPIC实现真正意义上的多个进程共享so文件。
多个进程引用同一个 PIC 动态库时，可以共用内存。这一个库在不同进程中的虚拟地址不同，但操作系统显然会把它们映射到同一块物理内存上。

不加-fPIC:
不加fPIC，则加载so文件时，需要对代码段引用的数据对象需要重定位，重定位会修改代码段的内容,这就造成每个使用这个.so文件代码段的进程在内核里都会生成这个.so文件代码段的copy.每个copy都不一样,取决于这个.so文件代码段和数据段内存映射的位置。
可见，这种方式更消耗内存。
但是不加fPIC编译的 so文件的优点是加载速度比较快。

参考链接：
GCC 在线文档
gcc编译参数-fPIC的一些问题
-fpic 与-fPIC的区别
linux编译动态库 fPIC作用