再配置

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「再配置処理」では、実行時リンカーが動的実行可能ファイルと共有オブジェクトを再配置して、「実行可能」プロセスを作成するためのメカニズムについて説明しました。「再配置シンボルの検索」と「再配置が実行されるとき」は、この再配置処理を 2 つの領域に分類して、関連のメカニズムを簡素化して説明しています。これらの 2 つのカテゴリは、再配置による性能への影響を考慮するためにも最適です。

シンボルの検索

実行時リンカーは、特定のシンボルを検索する必要が生じると、デフォルトでは各オブジェクト内でそのシンボルを検索します。まず動的実行可能プログラムから検索してから、オブジェクトが読み込まれた順番に共有オブジェクトを検索します。ほとんどの場合、シンボル再配置を必要とする共有オブジェクトは、シンボル定義の提供者になります。

この状況では、この再配置に使用されるシンボルが共有オブジェクトのインタフェースの一部として必要ではない場合、このシンボルは「静的」変数または「自動」変数に変換される可能性が高くなります。シンボル削減は、共有オブジェクトのインタフェースから削除されたシンボルにも適用できます。詳細は、「シンボル範囲の縮小」を参照してください。これらの変換を行うことによって、リンカーは、共有オブジェクトの作成中にこれらのシンボルに対するシンボル再配置を処理しなければならなくなります。

共有オブジェクトから表示できなければならない唯一の大域データ項目は、そのユーザーインタフェースに関するものです。しかし、大域データは異なる複数のソースファイルにある複数の関数から参照できるように定義されていることが多いため、これは歴史的に達成が困難です。シンボルの縮小を適用することによって、不要な大域シンボルを削除できます。「シンボル範囲の縮小」を参照してください。共有オブジェクトからエクスポートされた大域シンボルの数を少しでも減らせば、再配置のコストを削減し、性能全体を向上させることができます。

直接結合を使用すると、多数のシンボル再配置や依存関係を伴う動的プロセスでのシンボル検索オーバーヘッドも大幅に削減できます。第 6 章直接結合を参照してください。

再配置が実行されるとき

すべての即時参照再配置は、アプリケーションが制御を取得する前の、プロセスの初期設定中に実行する必要があります。これに対して、遅延参照は、関数の最初のインスタンスが呼び出されるまで延期できます。即時参照は通常、データ参照によって行われます。このため、データ参照の数を少なくすることによって、プロセスの実行時初期設定も削減されます。

初期設定再配置コストは、データ参照を関数参照に変換して延期することもできます。たとえば、機能インタフェースによってデータ項目を返すことができます。この変換を行うと、初期設定再配置コストがプロセスの実行期間中に効率的に分配されるため、性能は明らかに向上します。いくつかの機能インタフェースはプロセスの特定の呼び出しでは決して呼び出されない可能性もあるため、それらの再配置オーバーヘッドもすべてなくなります。

機能インタフェースを使用した場合の利点については、「コピー再配置」セクションで説明します。このセクションでは、動的実行可能ファイルと共有オブジェクトの間で使用される特殊でコストのかかる再配置メカニズムについて説明します。また、この再配置によるオーバーヘッドを回避する方法の例も示します。

再配置セクションの結合

再配置可能オブジェクト内の再配置セクションは通常、再配置の適用対象となるセクションとの 1 対 1 の関係が維持されます。ただし、リンカーエディタによって実行可能ファイルまたは共有オブジェクトが作成するときに、プロシージャーリンクテーブルの再配置を除くすべての再配置が .SUNW_reloc という名前の 1 つの共通セクションに配置されます。

この方法で再配置レコードを結合すると、すべての RELATIVE 再配置を 1 つにグループ化できます。すべてのシンボルの再配置は、シンボル名によって並べ替えられます。RELATIVE 再配置をグループ化すると、DT_RELACOUNT/DT_RELCOUNT .dynamic エントリを使用した最適な実行時処理が行われます。シンボルのエントリを並べ替えると、実行時にシンボルを検索する時間を削減できます

コピー再配置

共有オブジェクトは、通常、位置独立の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。詳細は、「位置独立のコード」を参照してください。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。これらの更新されたテーブルによって、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、位置独立のコードからは作成されません。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、回避する必要があります。コピー再配置という再配置手法が、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とします。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すべての参照を満たすために使用されます。動的実行可能ファイルは、データ項目を継承します。この項目を参照するプロセス内のほか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使用されなくなります。

このメカニズムの次の例では、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 つの大域変数 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 つめ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]);
}

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します。

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
$ elfdump -sN.dynsym prog | grep ' sys_'
      [24]  0x00021240 0x00000260  OBJT GLOB  D    1 .bss           sys_errlist
      [39]  0x00021230 0x00000004  OBJT GLOB  D    1 .bss           sys_nerr
$ elfdump -c prog
....
Section Header[19]:  sh_name: .bss
    sh_addr:      0x21230         sh_flags:   [ SHF_WRITE SHF_ALLOC ]
    sh_size:      0x270           sh_type:    [ SHT_NOBITS ]
    sh_offset:    0x1230          sh_entsize: 0
    sh_link:      0               sh_info:    0
    sh_addralign: 0x8
....
$ elfdump -r prog

Relocation Section:  .SUNW_reloc
    type                       offset     addend  section        symbol
....
  R_SPARC_COPY                0x21240          0  .SUNW_reloc    sys_errlist
  R_SPARC_COPY                0x21230          0  .SUNW_reloc    sys_nerr
....

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。新しいエラーメッセージが追加されるなど、この配列のサイズが変わったとします。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を行う必要があります。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、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します。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。

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コピー再配置があるかどうかを検査できます。

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。

$ cat foo.c
int _size_gets_smaller[16];
int _size_gets_larger[16];
$ cc -o libfoo.so -G foo.c
$ cc -o prog main.c -L. -R. -lfoo
$ elfdump -sN.symtab prog | grep _size
      [49]  0x000211d0 0x00000040  OBJT GLOB  D    0 .bss           _size_gets_larger
      [59]  0x00021190 0x00000040  OBJT GLOB  D    0 .bss           _size_gets_smaller
$ elfdump -r prog | grep _size
  R_SPARC_COPY                0x211d0          0  .SUNW_reloc    _size_gets_larger
  R_SPARC_COPY                0x21190          0  .SUNW_reloc    _size_gets_smaller

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。

$ cat foo2.c
int _size_gets_smaller[4];
int _size_gets_larger[32];
$ cc -o libfoo.so -G foo2.c
$ elfdump -sN.symtab libfoo.so | grep _size
      [37]  0x000105cc 0x00000010  OBJT GLOB  D    0 .bss           _size_gets_smaller
      [41]  0x000105dc 0x00000080  OBJT GLOB  D    0 .bss           _size_gets_larger

この動的実行可能ファイルに対して ldd(1) を実行すると、次の結果が返されます。

$ ldd -d prog
    libfoo.so.1 =>   ./libfoo.so.1
    ....
      relocation R_SPARC_COPY sizes differ: _size_gets_larger
          (file prog size=0x40; file ./libfoo.so size=0x80)
          prog size used; possible data truncation
      relocation R_SPARC_COPY sizes differ: _size_gets_smaller
          (file prog size=0x40; file ./libfoo.so size=0x10)
          ./libfoo.so size used; possible insufficient data copied
....

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することができるデータすべてをコピーする一方で、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。

位置独立のコードだけでアプリケーションを作成すれば、コピー再配置を完全に排除することができます。「位置独立のコード」を参照してください。

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	Oracle Solaris 11.1 リンカーとライブラリガイド Oracle Solaris 11.1 Information Library (日本語)