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问题：

全局常数优化和品种介位

鲁洋
2023-03-14

我在用gcc和clang做实验，看看它们是否可以优化

#define SCOPE static
SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 42 /*==0x2a*/ };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }

以返回中间常量。

事实证明，他们可以：

0000000000000010 <ret_global>:
   10:  b8 2a 00 00 00          mov    $0x2a,%eax
   15:  c3                      retq

但是令人惊讶的是，移除静态输出会产生相同的汇编输出。这让我很好奇，因为如果全局变量不是< code>static,它应该是可插值的，用中间变量替换引用应该可以防止全局变量的插值。

的确如此:

#!/bin/sh -eu
: ${CC:=gcc}
cat > lib.c <<EOF
int ret_42(void) { return 42; }

#define SCOPE 
SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 42 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }
int ret_fn_result(void) { return ret_42()+1; }
EOF

cat > lib_override.c <<EOF
int ret_42(void) { return 50; }

#define SCOPE
 SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 60 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
EOF

cat > main.c <<EOF
#include <stdio.h>
int ret_42(void), ret_global(void), ret_fn_result(void);
struct wrap_ { const int x; };
extern struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w;
int main(void)
{
    printf("ret_42()=%d\n", ret_42());
    printf("ret_fn_result()=%d\n", ret_fn_result());
    printf("ret_global()=%d\n", ret_global());
    printf("w.ptr->x=%d\n",w.ptr->x);
}
EOF
for c in *.c; do
    $CC -fpic -O2 $c -c
    #$CC -fpic -O2 $c -c -fno-semantic-interposition
done
$CC lib.o -o lib.so -shared
$CC lib_override.o -o lib_override.so -shared
$CC main.o $PWD/lib.so
export LD_LIBRARY_PATH=$PWD
./a.out
LD_PRELOAD=$PWD/lib_override.so ./a.out

产出

ret_42()=42
ret_fn_result()=43
ret_global()=42
w.ptr->x=42
ret_42()=50
ret_fn_result()=51
ret_global()=42
w.ptr->x=60

编译器可以用中间变量替换外部全局变量的引用吗？这些不也应该被干预吗？

编辑：

Gcc 不会优化外部函数调用（除非使用 -fno-semantic-interposition 编译
），例如在 int ret_fn_result（void） { return ret_42（） 1; } 中调用 ret_42（），即使与引用 extern 全局 const 变量一样，符号定义更改的唯一方法是通过交互。

  0000000000000020 <ret_fn_result>:
  20:   48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
  24:   e8 00 00 00 00          callq  29 <ret_fn_result+0x9>
  29:   48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
  2d:   83 c0 01                add    $0x1,%eax

我一直认为这是考虑到符号插入的可能性。顺便说一句，clang确实优化了它们。

我想知道哪里(如果有的话)说对< code>ret_global()中的< code>extern const w的引用可以优化为中间值，而对< code>ret_fn_result中的< code>ret_42()的调用则不能。

无论如何，符号迭代似乎在不同的编译器之间非常不一致且不可靠，除非您建立转换单元边界。:/（如果只是所有全局变量都是可连续插入的，除非 -fno-semantic-interposition 处于打开状态，那就太好了，但人们只能希望。

共有3个答案

淳于熙云
2023-03-14

编辑：问题：我想知道它在哪里（如果有的话）说ret_global（）中对extern const w的引用可以优化为中间体，而ret_fn_result中对ret_42（）的调用不能。

>

  • 编译器常量折叠优化，能够内联复杂常量变量和结构

    函数的编译器默认行为是导出。如果未使用 -fvisibility=hidden 标志，则导出所有函数。由于导出任何已定义的函数，因此无法内联该函数。因此，无法内联ret_fn_result中对ret_42的呼叫。打开 -fvisibility=hidden，结果将如下所示。

    假设可以同时导出和内联函数以进行优化，则会导致链接器创建有时以一种方式（内联）工作的代码，有时工作被覆盖（插入），有时直接在单个加载和执行生成的可执行文件的范围内工作。

    还有其他标志对这个主题有效。最著名的人：

    >

  • -b符号，-b符号函数和-动态列表。

    -fno-semantic-interposition

    当然，优化标志

    当< code>ret_42隐藏时，函数< code>ret_fn_result，不导出，然后内联。

    0000000000001110 <ret_fn_result>:
    1110:   b8 2b 00 00 00          mov    $0x2b,%eax
    1115:   c3                      retq

    步骤#1，主题在lib.c中定义：

    SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 42 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }

    当＜code＞lib。c被编译，w.ptr-

    $ object -T lib.so
lib.so:     file format elf64-x86-64

DYNAMIC SYMBOL TABLE:
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              _ITM_deregisterTMCloneTable
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              __gmon_start__
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              _ITM_registerTMCloneTable
0000000000000000  w   DF *UND*  0000000000000000  GLIBC_2.2.5 __cxa_finalize
0000000000001110 g    DF .text  0000000000000006  Base        ret_42
0000000000002000 g    DO .rodata    0000000000000004  Base        ptr
0000000000001120 g    DF .text  0000000000000006  Base        ret_global
0000000000001130 g    DF .text  0000000000000011  Base        ret_fn_result
0000000000003e18 g    DO .data.rel.ro   0000000000000008  Base        w

    其中＜code＞ptr（因为＜code＞常量 

    0000000000001120 <ret_global>:
    1120:   b8 2a 00 00 00          mov    $0x2a,%eax
    1125:   c3                      retq

    另一部分是：

    int ret_42(void) { return 42; }
int ret_fn_result(void) { return ret_42()+1; }

    这里＜code＞ret_42＜/code＞是一个函数，因为它不是隐藏的，所以它是导出函数。因此它是一个＜code＞代码＜/code＞。并且两者都导致：

    0000000000001110 <ret_42>:
    1110:   b8 2a 00 00 00          mov    $0x2a,%eax
    1115:   c3                      retq   

0000000000001130 <ret_fn_result>:
    1130:   48 83 ec 08             sub    $0x8,%rsp
    1134:   e8 f7 fe ff ff          callq  1030 <ret_42@plt>
    1139:   48 83 c4 08             add    $0x8,%rsp
    113d:   83 c0 01                add    $0x1,%eax
    1140:   c3                      retq

    考虑到编译器只知道< code>lib.c，我们就完成了。将< code>lib.so放在一边。

    步骤#2，编译lib_override.c：

    int ret_42(void) { return 50; }

#define SCOPE
SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 60 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };

    这很简单:

    $ objdump -T lib_override.so
lib_override.so:     file format elf64-x86-64

DYNAMIC SYMBOL TABLE:
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              _ITM_deregisterTMCloneTable
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              __gmon_start__
0000000000000000  w   D  *UND*  0000000000000000              _ITM_registerTMCloneTable
0000000000000000  w   DF *UND*  0000000000000000  GLIBC_2.2.5 __cxa_finalize
00000000000010f0 g    DF .text  0000000000000006  Base        ret_42
0000000000002000 g    DO .rodata    0000000000000004  Base        ptr
0000000000003e58 g    DO .data.rel.ro   0000000000000008  Base        w

    导出函数ret_42，然后将ptr和w分别放入rodata和data.rel.ro（因为const指针）。常量折叠导致以下代码：

    00000000000010f0 <ret_42>:
    10f0:   b8 32 00 00 00          mov    $0x32,%eax
    10f5:   c3                      retq

    第3步，编译main.c，让我们先看看对象：

    $ objdump -t main.o

# SKIPPED

0000000000000000         *UND*  0000000000000000 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 ret_42
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 printf
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 ret_fn_result
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 ret_global
0000000000000000         *UND*  0000000000000000 w

    我们所有的符号都没有定义。所以他们必须来自某个地方。

    然后我们默认用< code>lib.so链接，代码为(printf等省略):

    0000000000001070 <main>:
    1074:   e8 c7 ff ff ff          callq  1040 <ret_42@plt>
    1089:   e8 c2 ff ff ff          callq  1050 <ret_fn_result@plt>
    109e:   e8 bd ff ff ff          callq  1060 <ret_global@plt>
    10b3:   48 8b 05 2e 2f 00 00    mov    0x2f2e(%rip),%rax        # 3fe8 <w>

    现在我们有了lib.so，lib_override.so和a.out在手。

    让我们简单地调用＜code＞a.out＜/code＞：

      < li >主要=

    现在让我们用lib_override.so预加载：

      < li >主要=

    对于1：＜code＞main＜/code＞从＜code＞lib_override调用＜code＞ret_42＜/code＞。因此因为它是预加载的，ret_42现在解析为lib_override.so。

    对于 2：主调用ret_fn_result来自 lib.so，该调用ret_42，而是来自 lib_override.so，因为它现在解析为 lib_override.so 中的 1。

    对于3：＜code＞main＜/code＞从＜code＞lib调用＜code＞ret_global＜/code＞。因此返回折叠常数42。

    对于 4：main 读取指向 lib_override.so 的 extern 指针，因为它是预加载的。

    最后，一旦< code>lib.so是用内嵌的折叠常量生成的，就不能要求它们是“可重写的”。如果想要拥有可重写的数据结构，应该用其他方式定义它(提供操作它们的函数，不要使用常量等等)。).因为当定义一个东西为常量时，意图是明确的，编译器做什么就做什么。然后，即使该符号在< code>main.c或其他地方被定义为非常量，它也不能在< code>lib.c中被< code >展开回。

    #!/bin/sh -eu
: ${CC:=gcc}
cat > lib.c <<EOF
int ret_42(void) { return 42; }

#define SCOPE 
SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 42 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }
int ret_fn_result(void) { return ret_42()+1; }
EOF

cat > lib_override.c <<EOF
int ret_42(void) { return 50; }

#define SCOPE
 SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 60 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
EOF

cat > main.c <<EOF
#include <stdio.h>
int ret_42(void), ret_global(void), ret_fn_result(void);
struct wrap_ { const int x; };
extern struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w;
int main(void)
{
    printf("ret_42()=%d\n", ret_42());
    printf("ret_fn_result()=%d\n", ret_fn_result());
    printf("ret_global()=%d\n", ret_global());
    printf("w.ptr->x=%d\n",w.ptr->x);
}
EOF
for c in *.c; do gcc -fpic -O2 $c -c; done
$CC lib.o -o lib.so -shared 
$CC lib_override.o -o lib_override.so -shared
$CC main.o $PWD/lib.so
export LD_LIBRARY_PATH=$PWD
./a.out
LD_PRELOAD=$PWD/lib_override.so ./a.out

    • 彭兴朝
    2023-03-14

    您可以使用LD_DEBUG=bindings来跟踪符号绑定。在这种情况下，它打印（以及其他内容）：

     17570: binding file /tmp/lib.so [0] to /tmp/lib_override.so [0]: normal symbol `ptr'
 17570: binding file /tmp/lib_override.so [0] to /tmp/lib_override.so [0]: normal symbol `ptr'
 17570: binding file ./a.out [0] to /tmp/lib_override.so [0]: normal symbol `ret_42'
 17570: binding file ./a.out [0] to /tmp/lib_override.so [0]: normal symbol `ret_global'

    所以lib.so中的ptr对象确实被插入了，但是主程序从不在原始库中调用ret_global。调用从预加载的库转到ret_global，因为函数也被插入了。

    何烨华
    2023-03-14

    根据什么是LD_PRELOAD技巧？，LD_PRELOAD是一个环境变量，允许用户在加载任何其他库之前加载一个库，包括libc.so。

    根据这个定义，它意味着两件事：

    > < Li > < p > < code > LD _ PRELOAD 中指定的库可以从其他库中重载符号。

    但是，如果指定的该库不包含该符号，则将像往常一样在其他库中搜索该符号。

    在这里，您将< code>LD_PRELOAD指定为< code>lib_override.so，它定义了< code>int ret_42(void)和全局变量< code>ptr和< code>w，但没有定义< code>int ret_global(void)。

    因此＜code＞int ret_global（void），此函数将直接返回＜code＞42，因为编译器不可能从＜code＞库中看到＜code＞ptr。c可以在运行时修改（它们将放在＜code＞elf。

    编辑-测试:

    所以我对你的剧本做了一些修改：

    #!/bin/sh -eu
: ${CC:=gcc}
cat > lib.c <<EOF
int ret_42(void) { return 42; }

#define SCOPE
SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 42 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }
EOF

cat > lib_override.c <<EOF
int ret_42(void) { return 50; }

#define SCOPE
 SCOPE const struct wrap_ { const int x; } ptr = { 60 };
SCOPE struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w = { &ptr };
int ret_global(void) { return w.ptr->x; }
EOF

cat > main.c <<EOF
#include <stdio.h>
int ret_42(void), ret_global(void);
struct wrap_ { const int x; };
extern struct wrap { const struct wrap_ *ptr; } const w;
int main(void)
{
    printf("ret_42()=%d\n", ret_42());
    printf("ret_global()=%d\n", ret_global());
    printf("w.ptr->x=%d\n",w.ptr->x);
}
EOF
for c in *.c; do gcc -fpic -O2 $c -c; done
$CC lib.o -o lib.so -shared
$CC lib_override.o -o lib_override.so -shared
$CC main.o $PWD/lib.so
export LD_LIBRARY_PATH=$PWD
./a.out
LD_PRELOAD=$PWD/lib_override.so ./a.out

    这一次，它打印：

    ret_42()=42
ret_global()=42
w.ptr->x=42
ret_42()=50
ret_global()=60
w.ptr->x=60

    编辑 -- 结论：

    所以事实证明，您要么重载所有相关部分，要么重载任何内容，否则您将获得如此棘手的行为。另一种方法是在标头中定义intret_global（val），而不是在动态库中，因此当您尝试重载一些功能来进行一些测试时，您不必担心这一点。

    编辑--解释为什么intret_global（val）是可重载的，而ptr和w不是。

    首先，我想指出您定义的符号类型（使用如何在. so文件中列出符号的技术：

    文件< code>lib.so:

    Symbol table '.dynsym' contains 13 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     5: 0000000000001110     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_global
     6: 0000000000001120    17 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_fn_result
     7: 000000000000114c     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   14 _fini
     8: 0000000000001100     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_42
     9: 0000000000000200     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ptr
    10: 0000000000003018     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   22 w

Symbol table '.symtab' contains 28 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
    23: 0000000000001100     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_42
    24: 0000000000001110     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_global
    25: 0000000000001120    17 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_fn_result
    26: 0000000000003018     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   22 w
    27: 0000000000000200     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ptr

    文件＜code＞lib_override.so＜/code＞：

    Symbol table '.dynsym' contains 11 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
     6: 0000000000001100     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_42
     7: 0000000000000200     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ptr
     8: 0000000000001108     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   13 _init
     9: 0000000000001120     0 FUNC    GLOBAL DEFAULT   14 _fini
    10: 0000000000003018     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   22 w

Symbol table '.symtab' contains 26 entries:
   Num:    Value          Size Type    Bind   Vis      Ndx Name
    23: 0000000000001100     6 FUNC    GLOBAL DEFAULT   12 ret_42
    24: 0000000000003018     8 OBJECT  GLOBAL DEFAULT   22 w
    25: 0000000000000200     4 OBJECT  GLOBAL DEFAULT    1 ptr

    您会发现，尽管两者都是 GLOBAL 符号，但所有函数都标记为可重载的 FUNC 类型，而所有变量都具有 OBJECT 类型。OBJECT 类型意味着它是不可重载的，因此编译器不需要使用符号解析来获取数据。

    关于这方面的进一步信息，请查看:什么是“暂定”符号？。

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