Linux 支持的共享程序库（lib*.so）技术不仅能够有效利用系统资源，而且还对程序设计带来了很大的便利性、通用性等，因此被各种级别的应用系统广泛采用。 动态链接的共享库是在加载应用程序时被加载的，而且它与应用程序是在运行时绑定的：通过动态链接器，将动态共享库映射进应用程序的可执行内存中（动态链接）；在启动应用程序时，动态装载器将所需的共享目标库映射到应用程序的内存（动态装载）。
在通常情况下，共享库都是通过使用附加选项 -fpic 或 -fPIC 进行编译，从目标代码产生位置无关的代码（Position Independent Code，PIC），使用 -shared选项将目标代码放进共享目标库中。位置无关代码需要能够被加载到不同进程的不同地址，并且能得以正确的执行，故其代码要经过特别的编译处理：位置无关代码（PIC）对常量和函数入口地址的操作都是采用基于基寄存器（base register）BASE+ 偏移量的相对地址的寻址方式。即使程序被装载到内存中的不同地址，即 BASE 值不同，而偏移量是不变的，所以程序仍然可以找到正确的入口地址或者常量。
然而，当应用程序链接了多个共享库，如果在这些共享库中，存在相同作用域范围的同名静态成员变量或者同名 ( 非静态 ) 全局变量，那么当程序访问完静态成员变量或全局变量结束析构时，由于某内存块的 double free 会导致 core dump，这是由于 Linux 编译器的缺陷造成的。
应用场景原型
该问题源于笔者所从事的开发项目：IBM Tivoli Workload Scheduler (TWS) LoadLeveler。LoadLeveler是 IBM在高性能计算（High Performance Computing，HPC）领域的一款作业调度软件。它主要分为两个大的模块，分别是调度模块（scheduler）和资源管理模块（resource manger）。 两个模块中分别含有关于配置管理功能的共享库，由于某些配置管理选项为两模块所共同采用，所以两模块之间共享了部分源文件代码，其中包含有同名的类静态成员。
可以通过以下简单的模型进行描述：
图 1. 应用场景
对应的各模块代码片段如下图所示：
图 2. 应用场景模拟代码
其中，test.c 是主程序，包含有两个头文件：api1.h 与 api2.h；头文件 api1.h 包含头文件 lib1/lib.h 和一功能函数 func_api1()，api2.h 包含头文件 lib2/lib.h 和一功能函数 func_api2()；目录 lib1 和 lib2 下的源文件分别编译生成共享库 lib1.so 和 lib2.so。同时，头文件 lib1/lib.h 与 lib2/lib.h 链接到同一共享文件 lib.h。在文件 lib.h 中定义有一静态成员变量“static std::vector<int> vec_int”。
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功能函数与各静态成员函数代码清单
功能函数 func_api1() 与 func_api2() 的实现类似，通过调用静态成员函数达到访问静态成员变量 vec_int的目的：
清单 1. 功能函数 func_api1(int) void func_api1(int i) { printf("%s.\n", __FILE__); A::set(i); A::print(); return; } |
静态成员函数 A::set() 与 A::print() 的实现如下：
清单 2. 静态成员函数 A::set(int) void A::set(int num) { vec_int.clear(); for (int i = 0; i < num; i++) { vec_int.push_back(i); } return; } |
清单 3. 静态成员函数 A::print() void A::print() { for (int i = 0; i < vec_int.size(); i++) { printf("vec_int[%d] = %d, addr: %p.\n", i, vec_int[i], &vec_int[i]); } printf("vec_int addr: %p.\n", &vec_int); return; } |
A::set() 对静态成员 vec_int进行赋值操作，而 A::print() 则打印其中的值与当前项的内存地址。
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运行结果
如果两个共享库是通过选项 -fpic或 -fPIC编译的话，运行程序 test，输出如下：
清单 4. 选项 -fPIC 的测试结果 $ export LD_LIBRARY_PATH=./:$LD_LIBRARY_PATH $ g++ -g -o lib1.so -fPIC-rdynamic -shared lib1/lib.c $ g++ -g -o lib2.so -fPIC-rdynamic -shared lib2/lib.c $ g++ -g -o test -L./ -l1 -l2 test.c $ ./test api1.h. vec_int[0] = 0, addr: 0x9cbf028. vec_int[1] = 1, addr: 0x9cbf02c. vec_int[2] = 2, addr: 0x9cbf030. vec_int[3] = 3, addr: 0x9cbf034. vec_int addr: 0xe89228. *** glibc detected *** ./test: double free or corruption (fasttop): 0x09cbf028*** ======= Backtrace:========= /lib/libc.so.6[0x2b2b16] /lib/libc.so.6(cfree+0x90)[0x2b6030] /usr/lib/libstdc++.so.6(_ZdlPv+0x21)[0x5d1731] ./lib1.so(_ZN9__gnu_cxx13new_allocatorIiE10deallocateEPij+0x1d)[0xe88417] ./lib1.so(_ZNSt12_Vector_baseIiSaIiEE13_M_deallocateEPij+0x33)[0xe88451] ./lib1.so(_ZNSt12_Vector_baseIiSaIiEED2Ev+0x42)[0xe8849a] ./lib1.so(_ZNSt6vectorIiSaIiEED1Ev+0x60)[0xe8850c] ./lib2.so[0x961d6c] /lib/libc.so.6(__cxa_finalize+0xa9)[0x275c79] ./lib2.so[0x961c34] ./lib2.so[0x962d3c] /lib/ld-linux.so.2[0x23a7de] /lib/libc.so.6(exit+0xe9)[0x2759c9] /lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xe4)[0x25fdf4] ./test(__gxx_personality_v0+0x45)[0x80484c1] ======= Memory map:======== ...... 00960000-00963000 r-xp 00000000 00:1b 7668734 ./lib2.so 00963000-00964000 rwxp 00003000 00:1b 7668734 ./lib2.so 00970000-00971000 r-xp 00970000 00:00 0 [vdso] 00e86000-00e89000 r-xp 00000000 00:1b 7668022 ./lib1.so 00e89000-00e8a000 rwxp 00003000 00:1b 7668022 ./lib1.so 08048000-08049000 r-xp 00000000 00:1b 7668748 ./test 08049000-0804a000 rw-p 00000000 00:1b 7668748 ./test 09cbf000-09ce0000 rw-p 09cbf000 00:00 0 [heap] ...... Abort(coredump) $ |
从程序的输出直观的看到，core 产生是由于堆内存区域（09cbf000-09ce0000）中起始地址为 0x09cbf028的内存区被释放了两次导致的，该地址正式静态成员变量 vec_int的第一个元素的地址。
为什么会出现同一块内存区，被释放两次的情形呢？
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原因分析
我们知道，静态成员变量与全局变量类似，都采用了静态存储方式。对于加了选项 -fpic或 -fPIC的共享库，这些变量的地址都存放在该共享库的全局偏移表（Global Offset Table，GOT）中。
通过 objdump或者 readelf命令分析共享库 lib1.so，结果如下：
清单 5. objdump 分析共享库 lib1.so 的输出 $ objdump -x -R lib1.so lib1.so: file format elf32-i386 ...... Sections: Idx Name Size VMA LMA File off Algn 0 .gnu.hash 000001e8 000000d4 000000d4 000000d4 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA ...... 18 .dynamic 000000d8 0000301c 0000301c 0000301c 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA 19 .got 00000014 000030f4 000030f4 000030f4 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA 20 .got.plt 00000114 00003108 00003108 00003108 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA ...... DYNAMIC RELOCATION RECORDS OFFSET TYPE VALUE ...... 000030f4 R_386_GLOB_DAT __gmon_start__ 000030f8 R_386_GLOB_DAT _Jv_RegisterClasses 000030fc R_386_GLOB_DAT _ZN1A7vec_intE 00003104 R_386_GLOB_DAT __cxa_finalize ...... |
清单 6. readelf 分析共享库 lib1.so 的输出 $ objdump -x -R lib1.so lib1.so: file format elf32-i386 ...... Sections: Idx Name Size VMA LMA File off Algn 0 .gnu.hash 000001e8 000000d4 000000d4 000000d4 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA ...... 18 .dynamic 000000d8 0000301c 0000301c 0000301c 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA 19 .got 00000014 000030f4 000030f4 000030f4 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA 20 .got.plt 00000114 00003108 00003108 00003108 2**2 CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA ...... DYNAMIC RELOCATION RECORDS OFFSET TYPE VALUE ...... 000030f4 R_386_GLOB_DAT __gmon_start__ 000030f8 R_386_GLOB_DAT _Jv_RegisterClasses 000030fc R_386_GLOB_DAT _ZN1A7vec_intE 00003104 R_386_GLOB_DAT __cxa_finalize ...... |
从上面两个命令的输出结果中可以看出，共享库 lib1.so中 GOT段的起始内存地址为 000030f4，大小为 20 字节 (0x14)；静态成员变量 vec_int在共享库 lib1.so中的起始偏移地址为 000030fc。显然，vec_int位于该共享库的 GOT段内。
当应用程序同时链接 lib1.so和 lib2.so时，同名静态成员变量 vec_int分别位于其共享库的 GOT区。当程序运行时，系统从符号表中查找并装载构造一份 vec_int数据，这点从程序运行的输出结果（清单 4）的“Backtrace”部分可以看到：只有 lib1.so中的静态成员变量被装载构造；同时，通过内存映射（Memory map）部分（清单 4），可以观察到 vec_int对象的地址 0xe89228正好处在为共享库 lib1.so分配的可读内存区 00e89000-00e8a000中：
00e89000-00e8a000 rwxp 00003000 00:1b 7668022 ./lib1.so |
然后，当程序结束时，却对该变量进行了两次析构操作，通过 gdb分析 core 文件：
清单 7. core 文件分析结果 $ gdb ./test core.28440 …… Core was generated by `./test'. Program terminated with signal 6, Aborted. #0 0x00970402 in __kernel_vsyscall () (gdb) (gdb) where #0 0x00970402 in __kernel_vsyscall () #1 0x00272d10 in raise () from /lib/libc.so.6 #2 0x00274621 in abort () from /lib/libc.so.6 #3 0x002aae5b in __libc_message () from /lib/libc.so.6 #4 0x002b2b16 in _int_free () from /lib/libc.so.6 #5 0x002b6030 in free () from /lib/libc.so.6 #6 0x005d1731 in operator delete () from /usr/lib/libstdc++.so.6 #7 0x00e88417 in __gnu_cxx::new_allocator<int>::deallocate (this=0xe89228, __p=0x9cbf028) at /usr/lib/gcc/i386-redhat-linux/.../ext/new_allocator.h:94 #8 0x00e88451 in std::_Vector_base<int, ... (this=0xe89228, __p=0x9cbf028, __n=4) at /usr/lib/gcc/.../include/c++/4.1.2/bits/stl_vector.h:133 #9 0x00e8849a in ~_Vector_base (this=0xe89228) at /usr/lib/gcc/.../include/c++/4.1.2/bits/stl_vector.h:119 #10 0x00e8850cin ~vector (this=0xe89228) at /usr/lib/gcc/.../stl_vector.h:272 #11 0x00961d6c in __tcf_0 () at lib2/lib.c:3 #12 0x00275c79 in __cxa_finalize () from /lib/libc.so.6 #13 0x00961c34 in __do_global_dtors_aux () from ./lib2.so #14 0x00962d3c in _fini () from ./lib2.so #15 0x0023a7de in _dl_fini () from /lib/ld-linux.so.2 #16 0x002759c9 in exit () from /lib/libc.so.6 #17 0x0025fdf4 in __libc_start_main () from /lib/libc.so.6 #18 0x080484c1 in _start () (gdb) |
从清单 7 中可以看出，从帧 #14 开始，程序进行 lib2.so中的析构操作，直到 #11，都运行在 lib2.so中，当进入帧 #10 时，进行变量析构时，其地址为 0x00e8850c，该地址中的对象是程序启动时由共享库 lib1.so装载构造出来的（清单 1）：
./lib1.so(_ZNSt6vectorIiSaIiEED1Ev+0x60)[0xe8850c] |
当程序结束时，运行库 glibc检测到共享库 lib2.so析构了并非由其构造的对象，导致了 core dump。
这种情况下，如果替换使用选项 -fpie或 -fPIE，操作步骤与运行结果如下所示：
清单 8. 选项 -fPIE 的测试结果 $ export LD_LIBRARY_PATH=./:$LD_LIBRARY_PATH $ g++ -g -o lib1.so -fPIE-rdynamic -shared lib1/lib.c $ g++ -g -o lib2.so -fPIE-rdynamic -shared lib2/lib.c $ g++ -g -pie -o test -L./ -l1 -l2 test.c $ ./test api1.h. vec_int[0] = 0, addr: 0x80e3028. vec_int[1] = 1, addr: 0x80e302c. vec_int[2] = 2, addr: 0x80e3030. vec_int[3] = 3, addr: 0x80e3034. vec_int addr: 0x75e224. $ |
程序运行结果符合期望并正常结束。
这是因为，当使用选项 -fpie或 -fPIE时，生成的共享库不会为静态成员变量或全局变量在 GOT中创建对应的条目（通过 objdump或readelf命令可以查看，此处不再赘述），从而避免了由于静态对象“构造一次，析构两次”而对同一内存区域释放两次引起的程序 core dump。
选项 -fpie和 -fPIE与 -fpic及 -fPIC的用法很相似，区别在于前者总是将生成的位置无关代码看作是属于程序本身，并直接链接进该可执行程序，而非存入全局偏移表 GOT中；这样，对于同名的静态或全局对象的访问，其构造与析构操作将保持一一对应。
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结束语
通过使用选项 -fpie或 -fPIE代替 -fpic或者 -fPIC，使得生成的共享库不会为静态成员变量或全局变量在 GOT中创建对应的条目，同时也就避免了针对同名静态对象“构造一次，析构两次”的不当操作。
转自：http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-cn-sdlstatic/