地址重定位与GOT/PLT机制

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于 2025-12-18 14:49:32 首次发布

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1.地址重定位与GOT/PLT机制

地址重定位与GOT/PLT机制详解

地址重定位

定义与作用：
地址重定位是将程序中的逻辑地址（编译时生成的虚拟地址）转换为运行时物理地址的过程，确保程序在内存中任意位置正确运行。其核心解决多道程序环境下地址冲突、内存共享及动态加载问题，通过静态或动态方式实现地址映射。
类型：
- 静态重定位：程序加载时一次性完成地址转换，位置固定（如早期系统），无法移动。
- 动态重定位：运行时通过硬件（如MMU）动态调整地址，支持程序在内存中移动，提升灵活性和内存利用率。

GOT（全局偏移表）机制

结构与功能：
GOT是数据段中的数组，存储外部符号（函数、全局变量）的实际地址。典型布局包括：
- GOT[0]：指向动态链接元数据（.dynamic段地址）。
- GOT[1]：动态链接器标识（如link_map结构地址）。
- GOT[2]：动态链接器入口函数（如_dl_runtime_resolve）。
- 其余条目：外部函数/变量的实际地址，支持位置无关代码（PIC）。
工作原理：
程序通过访问GOT获取符号地址。例如，调用printf时，先读取GOT中printf的地址条目，直接跳转或取值。动态链接器在运行时解析符号地址并更新GOT，实现动态绑定。

PLT（过程链接表）机制

结构与流程：
PLT是代码段中的短代码片段，每个外部函数对应一个条目，典型结构为：
- jmp *GOT[entry]：跳转到GOT中该函数的地址。
- push $symbol_id：压入符号标识符（用于动态链接器解析）。
- jmp PLT[0]：跳转到动态链接器入口。
延迟绑定（Lazy Binding）：
首次调用函数时，PLT检查GOT地址是否已解析。若未解析，触发动态链接器解析符号地址，更新GOT后跳转；后续调用直接通过GOT跳转，避免重复解析开销。此机制显著提升程序启动速度和内存效率。
示例：
调用printf时，先跳转到printf@plt，检查GOT中printf地址。首次调用时，GOT指向PLT的解析逻辑，动态链接器解析真实地址并写入GOT；后续调用直接通过GOT跳转。

GOT与PLT的协同

动态链接核心：
GOT存储地址，PLT处理跳转逻辑，两者配合实现动态链接。GOT提供地址存储，PLT负责调用路径的动态解析，共同支持延迟绑定、共享库更新及运行时符号解析。
性能优势：
延迟绑定减少启动时符号解析开销，仅当函数首次调用时解析地址，优化内存和CPU资源。例如，未使用的函数不会加载，提升程序启动速度和运行效率。
安全性与防御：
- GOT劫持攻击：攻击者通过缓冲区溢出等漏洞修改GOT条目，重定向函数调用至恶意代码。防御措施包括：
  - ASLR（地址空间布局随机化）：随机化GOT内存位置，增加攻击难度。
  - RELRO（重定位只读）：标记GOT为只读，防止非法修改。
  - 栈保护（Canary）：防止栈溢出攻击，间接保护GOT。

应用场景与案例

Linux动态链接库：
在ELF格式中，GOT和PLT是动态链接的关键组件。例如，libc.so中的函数通过PLT/GOT机制被程序调用，动态链接器在运行时解析地址并更新GOT。
安全漏洞利用：
GOT劫持常见于CTF题目或实际攻击中，通过覆盖GOT条目实现任意代码执行。例如，将exit函数的GOT条目修改为恶意代码地址，触发后执行攻击代码。

总结

地址重定位解决程序运行时地址映射问题，而GOT/PLT机制通过动态链接和延迟绑定，实现高效、灵活的符号解析和函数调用。两者协同工作，不仅提升程序性能和内存效率，还支持共享库的动态更新和安全防护。理解这些机制对系统编程、漏洞分析和性能优化具有重要意义。

2.全局偏移表

全局偏移表（GOT）详解

定义与核心作用

全局偏移表（Global Offset Table，简称GOT）是动态链接中用于存储外部符号（如函数、全局变量）地址的关键数据结构。它允许程序在运行时解析符号地址，支持动态加载共享库（如Linux的.so、Windows的.dll）和模块化编程。GOT通过地址无关代码（PIC）技术，使程序在内存中的位置无关，提升代码复用性和内存效率。

结构与组成

ELF格式（Linux/Unix）：
- .got段：存储全局变量的地址。
- .got.plt段：存储函数的地址，与过程链接表（PLT）配合使用。
- 特殊条目：
  - GOT[0]：指向.dynamic段（包含动态链接信息）。
  - GOT[1]：动态链接器标识（如link_map对象）。
  - GOT[2]：动态链接器的延迟绑定函数地址（如_dl_runtime_resolve）。
PE格式（Windows）：类似结构为导入地址表（IAT），功能与GOT一致。

工作机制

首次调用：
- 程序调用外部函数时，通过PLT跳转到GOT对应条目。
- 若地址未解析（首次调用），动态链接器（如ld-linux.so）解析符号，将真实地址填入GOT，并跳转到目标函数。
后续调用：
- 直接通过GOT跳转，无需重新解析，提升效率。
地址计算：
- 编译器通过_GLOBAL_OFFSET_TABLE_符号定位GOT基址，结合偏移量访问符号地址。

与PLT的协作

PLT（过程链接表）：存储跳转指令，初始指向动态链接器。首次调用时触发解析，后续直接跳转到GOT中的真实地址。
延迟绑定：通过GOT[2]的_dl_runtime_resolve函数实现按需加载，减少启动开销。

安全风险与防护

GOT覆盖攻击：
- 利用缓冲区溢出等漏洞修改GOT条目，劫持程序流（如将fflush的GOT地址覆盖为system("/bin/cat flag")）。
防护措施：
- ASLR（地址空间布局随机化）：随机化内存布局，增加攻击难度。
- NX（不可执行内存）：禁止执行栈上的恶意代码。
- Stack Canaries：检测栈溢出。
- 代码签名与验证：确保动态库合法性。

跨平台实现差异

Linux/Unix：ELF格式明确区分.got和.got.plt，支持复杂重定位（如R_X86_64_GLOB_DAT、R_X86_64_JUMP_SLOT）。
Windows：PE格式的IAT直接映射导入函数地址，结构更紧凑。
Android/嵌入式系统：通过.so动态库和GOT实现跨平台兼容，支持热更新。

应用场景

动态加载：运行时加载共享库，如插件系统、热修复。
逆向工程：通过修改GOT实现函数拦截（如Android逆向中替换系统调用）。
性能优化：减少静态链接的内存占用，提升程序启动速度。

总结

GOT是动态链接的核心枢纽，通过运行时地址解析平衡了灵活性与性能。其设计需兼顾效率与安全，现代系统通过ASLR、NX等技术强化防护。理解GOT机制对开发安全代码、进行系统级优化及逆向分析至关重要。

3.程序中的逻辑地址指什么

程序中的逻辑地址（Logical Address），也称为虚拟地址（Virtual Address），是程序在运行时由CPU生成的地址，它与实际内存中的物理地址（Physical Address）不同，是操作系统和硬件共同构建的抽象层的一部分。以下从多个维度详细解释：

1. 核心定义与作用

抽象隔离：逻辑地址是程序视角的“内存地址”，程序无需关心实际物理内存的布局（如内存碎片、多任务共享内存等），只需使用连续的逻辑地址空间即可。例如，一个程序可能认为自己独占从0x0000到0xFFFF的连续地址空间，但实际物理内存可能被分割存储。
内存管理基础：操作系统通过内存管理单元（MMU，Memory Management Unit）将逻辑地址动态映射到物理地址，实现内存的保护、共享、虚拟内存（如硬盘交换）等功能。

2. 与物理地址的区别

对比维度	逻辑地址	物理地址
生成主体	CPU执行程序时生成（如指令中的地址）	内存控制器实际访问的硬件地址
可见性	对程序可见（程序员/编译器使用）	对程序不可见（由硬件和操作系统管理）
连续性	程序视角连续（如数组、函数地址）	实际物理内存可能非连续（碎片化）
映射依赖	需通过MMU或页表转换	直接对应内存硬件单元（如电容、寄存器）

3. 逻辑地址的生成与转换

编译/链接阶段：编译器将源代码中的变量、函数地址转换为相对地址（如相对于段基址的偏移量）。例如，C语言中int a = 10;的变量a可能被分配到数据段的偏移量0x100处，此时逻辑地址为数据段基址+0x100。
运行时动态转换：CPU执行指令时，逻辑地址（如mov eax, [0x100]）被送入MMU，MMU结合页表（Page Table）或段寄存器（如CS、DS），将逻辑地址拆分为页号/段号和页内偏移/段内偏移，最终转换为物理地址。例如：
- 分页系统：逻辑地址 = 页号（高10位）+ 页内偏移（低12位），MMU通过页表查到页号对应的物理页框号，拼接后得到物理地址。
- 分段系统：逻辑地址 = 段选择子（索引段表）+ 段内偏移，段表记录段的基址和长度，确保访问不越界。

4. 关键应用场景

内存保护：通过逻辑地址到物理地址的映射，操作系统可限制程序访问非法内存（如其他进程的数据、内核空间），提升安全性。
虚拟内存：逻辑地址空间可远大于物理内存（如32位程序有4GB逻辑地址空间，但物理内存可能仅8GB），通过“按需调页”（Demand Paging）将不常用的页存到硬盘，实现“大地址空间”的假象。
地址重定位：静态重定位（编译时确定物理地址，已过时）与动态重定位（运行时由MMU完成，主流方式）的区别，动态重定位支持程序在内存中动态加载（如动态链接库）。
多任务共享：不同进程可使用相同的逻辑地址（如都从0x0000开始），但通过不同的页表映射到不同的物理地址，实现进程隔离。

5. 实际例子

假设一个程序尝试访问逻辑地址0x2000：

CPU将0x2000送入MMU。
若采用分页（页大小4KB），0x2000的二进制为0010 0000 0000 0000，页号=0x2（高10位），页内偏移=0x0（低12位）。
MMU查页表，发现页号0x2对应物理页框号0x5000。
物理地址 = 0x5000 << 12（页框基址） + 0x0（偏移） = 0x50000000。
内存控制器访问物理地址0x50000000，完成数据读取。

总结

逻辑地址是程序在抽象内存空间中的“虚拟坐标”，通过硬件（MMU）和操作系统（页表、段表）的协作，映射到物理内存的实际位置。这种抽象不仅简化了程序设计（无需考虑物理内存细节），还实现了内存保护、虚拟内存、多任务隔离等核心功能，是现代操作系统和计算机体系结构的关键设计之一。

4.过程链接表

过程链接表（PLT）详解

定义与核心作用

过程链接表（Procedure Linkage Table, PLT）是动态链接（如ELF格式）中的关键数据结构，主要用于实现函数调用的延迟绑定（Lazy Binding）和地址重定向。其核心作用包括：

间接跳转：作为程序调用外部函数（如动态库函数）的中间层。
地址解析延迟：首次调用函数时解析其绝对地址，后续调用直接跳转，提升启动性能。
支持位置无关代码（PIC）：使代码可加载到任意内存地址，增强安全性和灵活性（如ASLR）。

工作机制

1. 结构与初始化

PLT条目：每个动态链接的程序或共享库包含一个PLT，每个条目对应一个全局函数，包含跳转代码（如jmp [GOT+offset]）。
GOT（全局偏移表）：与PLT协同工作，存储函数地址。初始时，GOT表项指向PLT中的下一条指令（如push操作地址），形成“自调用”结构。

2. 首次调用流程

程序调用：程序调用func@plt（如gets@plt），跳转到PLT入口。
初始跳转：PLT条目中的jmp [GOT+offset]跳转到GOT表项指向的地址（初始为PLT下一条指令）。
压栈与跳转：执行push $n（保存函数ID）后，跳转到动态链接器（如ld.so）的解析函数（如_dl_runtime_resolve）。
地址解析：动态链接器根据函数ID查找符号表，定位真实函数地址（如libc.so中的gets）。
更新GOT：将真实地址写入对应GOT表项，并跳转到目标函数执行。

3. 后续调用

直接跳转：GOT表项已存储真实地址，后续调用直接通过jmp [GOT+offset]跳转，无需解析。

关键组件协作

组件	作用	示例地址/结构
PLT	提供跳转桩代码，包含初始化跳转和解析调用流程	`0x400550 <gets@plt>`
GOT	存储函数实际地址（初始指向PLT解析流程，解析后更新为真实地址）	`0x601030`
动态链接器	解析符号地址并更新GOT表（如`_dl_runtime_resolve`）	`ld.so`

优势与应用场景

优势

启动优化：延迟绑定减少程序启动时的符号解析开销。
内存效率：共享库代码段可被多进程共享，节省内存。
安全性：支持ASLR，通过位置无关代码增强系统安全性。
灵活性：动态库可独立更新，无需重新链接整个程序。

应用场景

动态链接库（.so/.dll）：实现函数调用的动态解析。
调试与性能分析：通过objdump -d查看PLT/GOT条目，分析函数调用路径。
安全防护：控制GOT表写入可防止部分ROP攻击。
预链接（prelink）：减少运行时解析开销，优化性能。

技术细节与扩展

汇编代码示例：

assembly

10x400550 <gets@plt>:
2   jmp    QWORD PTR [rip+0x2009fa]  ; 跳转到GOT表项
3   push   0x2                       ; 函数ID压栈
4   jmp    0x4005a0                  ; 跳转到公共解析器

重定位类型：如R_386_RELATIVE、R_386_GLOB_DAT、R_386_JMP_SLOT，用于动态链接时的地址修正。
GOT特殊项：.got.plt的前三项存储动态段地址、link_map结构地址和解析函数地址，后续项存储外部函数地址。

与静态链接的对比

特性	静态链接	动态链接（PLT/GOT）
代码复制	全部代码复制到可执行文件	共享库代码按需加载，多进程共享
启动速度	快（无解析开销）	慢（首次调用需解析）
内存占用	高（每个进程独立副本）	低（共享库代码共享）
更新维护	需重新链接整个程序	只需更新共享库