再配置のコピー

共有オブジェクトは、通常、位置に依存しないコードによって構築されます。このタイプのコードから外部データ項目への参照は、1 組のテーブルによる間接アドレス指定を使用します (詳細については、「位置に依存しないコード」を参照)。これらのテーブルは、データ項目の実アドレスによって実行時に更新されます。この実アドレスによって、コード自体を変更することなくデータにアクセスすることができます。

ただし、動的実行可能ファイルは通常、位置に依存しないコードからは作成されません。したがって、これらのファイルが作成する外部データへの参照は、その参照を行うコードを変更することによって実行時にしか実行できないように見えます。読み取り専用のテキストセグメントの変更は回避する必要があるため、コピー再配置と呼ばれる再配置手法が、この参照を解決するために使用されます。

動的実行可能ファイルを作成するためにリンカーが使用され、データ項目への参照が依存共有オブジェクトのどれかに常駐する場合は、動的実行可能ファイルの .bss で、共有オブジェクト内のデータ項目のサイズに等しいスペースが割り当てられます。このスペースには、共有オブジェクトに定義されているのと同じシンボリック名も割り当てられます。リンカーは、このデータ割り当てとともに特殊なコピー再配置レコードを生成して、実行時リンカーに対し、共有オブジェクトから動的実行可能ファイル内のこの割り当てスペースへデータをコピーするように指示します。

このスペースに割り当てられたシンボルは大域であるため、すべての共有オブジェクトからの参照をすべてを満たすために使用されます。この結果、動的実行可能ファイルはデータ項目を継承し、この項目を参照するプロセス内の他のオブジェクトすべてがこのコピーに結合されます。コピーの元となるデータは未使用になります。

このメカニズムを明確に示す例があります。この例では標準 C ライブラリ内で保持されるシステムエラーメッセージの配列を使用します。SunOS オペレーティングシステムの以前のリリースでは、この情報へのインタフェースが、2 つの広域変数 sys_errlist[] および sys_nerr によって提供されました。最初の変数はエラーメッセージ文字列を提供し、2 つ目の変数は配列自体のサイズを示しました。これらの変数はアプリケーション内で、通常次のように使用されていました。

$ cat foo.c
extern int      sys_nerr;
extern char *   sys_errlist[];

char *
error(int errnumb)
{
        if ((errnumb < 0) || (errnumb >= sys_nerr))
                return (0);
        return (sys_errlist[errnumb]);
}

ここで、アプリケーションは、関数 error を使用して、番号 errnumb に対応するシステムエラーメッセージを取得するために提供しています。

このコードを使用して作成された動的実行可能ファイルを調べると、コピー再配置の実装が更に詳細に示されます。

$ cc -o prog main.c foo.c
$ nm -x prog | grep sys_
[36]  |0x00020910|0x00000260|OBJT |WEAK |0x0  |16 |sys_errlist
[37]  |0x0002090c|0x00000004|OBJT |WEAK |0x0  |16 |sys_nerr
$ dump -hv prog | grep bss
[16]    NOBI    WA-    0x20908   0x908    0x268   .bss
$ dump -rv prog

    **** RELOCATION INFORMATION ****

.rela.bss:
Offset      Symndx                Type              Addend

0x2090c     sys_nerr              R_SPARC_COPY      0
0x20910     sys_errlist           R_SPARC_COPY      0
.........

ここで、リンカーは、動的実行可能ファイルの .bss にスペースを割り当てて、sys_errlist および sys_nerr によって表わされるデータを受け取っています。これらのデータは、プロセス初期設定時に、実行時リンカーによって C ライブラリからコピーされます。このため、これらのデータを使用する各アプリケーションは、データの専用コピーを各自のデータセグメントで取得します。

この手法には、実際には 2 つの欠点があります。まず、各アプリケーションでは、実行時のデータコピーによるオーバーヘッドによって性能が低下します。もう 1 つは、データ配列 sys_errlist のサイズが、C ライブラリのインタフェースの一部になるという点です。この配列のサイズが変わると、新しいエラーメッセージが追加されて、この配列を参照する動的実行可能ファイルすべてで新しいエラーメッセージにアクセスするための新しいリンク編集が行われます。この新しいリンク編集が行われないと、動的実行可能ファイル内の割り当てスペースが不足して、新しいデータを保持できません。

このような欠点は、動的実行可能ファイルに必要なデータが機能インタフェースによって提供されればなくなります。ANSI C 関数 strerror(3C) は、この点を示すものです。この関数は、提示されたエラー番号に基づいて該当するエラー文字列へのポインタを返すように実装されます。この関数の実装状態は次のようになります。

$ cat strerror.c
static const char * sys_errlist[] = {
        "Error 0",
        "Not owner",
        "No such file or directory",
        ......
};
static const int sys_nerr =
        sizeof (sys_errlist) / sizeof (char *);

char *
strerror(int errnum)
{
        if ((errnum < 0) || (errnum >= sys_nerr))
                return (0);
        return ((char *)sys_errlist[errnum]);
}

foo.c のエラールーチンは、ここではこの機能インタフェースを使用するように単純化できます。これによって、プロセス初期設定時に元のコピー再配置を実行する必要がなくなります。

また、データは共有オブジェクト限定のものであるため、そのインタフェースの一部ではなくなります。したがって、共有オブジェクトは、データを使用する動的実行可能ファイルに悪影響を与えることなく、自由にデータを変更できます。共有オブジェクトのインタフェースからデータ項目を削除すると、一般に共有オブジェクトのインタフェースとコードが維持しやすくなるとともに、性能も向上します。

コピー再配置は回避する必要がありますが、ldd(1) に -d オプションまたは -r オプションのどちらかをつけて使用すると、動的実行可能ファイル内にそれがないかを検査できます。

たとえば、動的実行可能ファイル prog が当初、次の 2 つのコピー再配置が記録されるように、共有オブジェクト libfoo.so.1 に対して構築されている場合を考えます。

$ nm -x prog | grep _size_
[36]   |0x000207d8|0x40|OBJT |GLOB |15  |_size_gets_smaller
[39]   |0x00020818|0x40|OBJT |GLOB |15  |_size_gets_larger
$ dump -rv size | grep _size_
0x207d8     _size_gets_smaller    R_SPARC_COPY      0
0x20818     _size_gets_larger     R_SPARC_COPY      0

さらに、これらのシンボルについて異なるサイズを含む、この共有オブジェクトの新しいバージョンが提供されているとします。

$ nm -x libfoo.so.1 | grep _size_
[26]   |0x00010378|0x10|OBJT |GLOB |8   |_size_gets_smaller
[28]   |0x00010388|0x80|OBJT |GLOB |8   |_size_gets_larger

この場合、動的実行可能ファイルに対して ldd(1) を実行すると、次のように表示されます。

$ ldd -d prog
    libfoo.so.1 =>   ./libfoo.so.1
    ...........
    copy relocation sizes differ: _size_gets_smaller
       (file prog size=40; file ./libfoo.so.1 size=10);
       ./libfoo.so.1 size used; possible insufficient data copied
    copy relocation sizes differ: _size_gets_larger
       (file prog size=40; file ./libfoo.so.1 size=80);
       ./prog size used; possible data truncation

ここで、ldd(1) は、動的実行可能ファイルが、共有オブジェクトが提供しなければならないデータすべてをコピーするけれども、その割り当てスペースで許容できる量しか受け付けないということを知らせています。