深入分析Android native exception框架---native编译

概要
    从前面的章节我们了解到，Android native程序都是用arm-linux-androideabi-gcc编译的。
    了解gcc如何将*.c/cpp编译成*.o再将其链接为可执行程序或/lib库，有助于我们将native从编译/加载/执行到崩溃一条路贯通起来。
    Android的Makefile只需要将source file填入LOCAL_SRC_FILES，然后include $(BUILD_SHARED_LIBRARY)或$(BUILD_EXECUTABLE)就可以将*.c/cpp/s编译为动态库或可执行程序。其中编译系统做了很多工作，我们不会介绍其中的原因，想要了解的话应该看build相关的文档。
    本章节会讲解gcc部分参数的原理及链接的过程。
1. 编译为obj
    在build/core/definitions.mk有定义transform-c-or-s-to-o-no-deps和transform-cpp-to-o，分别将每个*.c/s和*.cpp编译成*.o，里面传了很多参数给gcc，其中-fpic -fPIE和-fstack-protector是下面会讲解的。
(1). -fpic -fPIE
    PIC是Position-Independent Code的缩写，经常被用在共享库中，这样就能将相同的库代码为每个程序映射到一个位置，不用担心覆盖掉其他程序或共享库。
    PIE是Position-Independent-Executable的缩写，只能应用在可执行程序中。PIE和PIC很像，但做了一些调整（不用PLT，使用PC相关的重定位）。-fPIE给编译用，-pie给链接(ld)用。
    例如，一个程序没有使用PIC被链接到0地址，那么系统将其加载到0地址，程序可以正常运行：

    如果系统将其加载到0x8000，程序会异常：

    如果开启PIC，这会是这样：

    使用了什么技术可以达到这样呢？

    a. 对于访问自己的函数等可以使用以PC+偏移量的方式达到效果：

    b. 而访问外部共享库等需要GOT/PLT支持才行。
        PLT(Procedure Linkage Table): 由一个个桩函数组成的跳转表
        GOT(Global Offset Table): 由一个个偏移量组成的偏移表，决定PLT跳转的位置（由linker修改）
    要调用外部的函数会先跳转到PLT，PLT再从GOT获取实际的位置，再跳转过去。PLT/GOT类似一座桥：

    实例分析：
    某个程序的函数xxx()调用外部函数__futex_wait()，xxx()在.text段里会直接跳转到__futex_wait的PLT里，PLT会读取对应GOT的地址，直接跳转过去：

    GOT表的地址会在linker加载库时被修改，因为所有的库都是由linker加载的，也只有linker知道__futex_wait()被加载到哪里去了。
    这里linker会有两种做法：
        第1：在加载库时就把GOT全部修改好，后面程序调用就无需修改，加快了程序的运行，但启动较慢。这个就是所谓立即绑定，Android目前使用这种方法。
        第2：先不改GOT，此时GOT默认会指向第1个PLT，这个PLT会比较特殊，linker会修改这个PLT对应的GOT，使它指向linker某个函数，那这样只有GOT没有被修改下会自动跳转到linker，由linker再去单独修改这个GOT，达到按需修改，相比第1种，可以快速启动，但可能影响运行。这种也称为迟绑定技术（Lazy binding）。
    大家看到这里肯定会想，方法有了，那linker将GOT修改为什么值呢？其实在动态库里有.rel.dyn和.rel.plt段，里面包含了哪里要修改，修改的方法和对应的符号，linker就可以轻松完成这件艰巨的任务：

(2). -fstack-protector
    顾名思义就是保护堆栈，每一个函数在运行时都有自己的栈帧，如果代码没有写好，很可能将自己甚至是其他的栈帧踩坏，那如何防护呢？简单的方法就是在栈帧头部也就是在局部变量开始之前多存储一个__stack_chk_guard值，用于在函数返回前取出来和_stack_chk_guard做对比，失败则调用__stack_chk_fail函数，这个就是该参数完成的行为。
    以下是示意图：

    打开该功能后，编译会自动插入所需代码：

    当然该参数不是所有的函数都保护的，一般踩坏栈帧多半是for/while循环迭代数组，所以可以如下配置：
        -fstack-protector：只保护有定义局部数组且数组个数大于8的函数。
        --param=ssp-buffer-size=xx：在-fstack-protector基础上增加该参数可以修改数组个数。
        -fstack-protector-all：保护所有函数。
    发生stack corruption时会跑到__stack_chk_fail()，印出相关信息：

2. 静态链接
    build/core/combo/TARGET_linux-arm.mk里有定义transform-o-to-static-executable-inner，将*.o链接成静态可执行程序，静态可执行程序是一个完整的程序，不需要额外的共享库即可执行，比如/init,/sbin/adbd等。
    链接器用的是arm-linux-androideabi-g++，主要的参数和介绍如下（这里以test.c编译为test为例子）：
        -Bstatic ##表示静态链接##
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtbegin_static.o
        out/target/product/$proj/obj/EXECUTABLES/test_intermediates/test.o
        prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-linux-androideabi-$version/lib/gcc/arm-linux-androideabi/$version-google/armv7-a/libgcc.a
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtend_android.o
    大家注意到没有，除了test.o居然还链接了crtbegin_static.o/libgcc.a和crtend_android.o，这是怎么回事？？

    libgcc.a后面会详细讲，而crtbegin_static.o/crtend_android.o对应代码是（从bionic/libc/Andoird.mk看出）bionic/libc/arch-arm/bionic目录下的crtbegin.c和crtend.s，其中定义了.preinit_array，.init_array和.fini_array段以及_start函数。
    再查看gcc默认的链接脚本（prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-linux-androideabi-$version/arm-linux-androideabi/lib/ldscripts/armelf_linux_eabi.x）：

    里面定义了入口函数是_start()（注意不是main()!!!），以及加载位置是0x8000。其中crtbegin.c至关重要，main()函数在__libc_init()里调用到，而之前已经做了很多事，这也就是crt（c-runtime，c运行环境）的工作。
3. 动态链接
    build/core/combo/TARGET_linux-arm.mk里有定义transform-o-to-executable-inner和transform-o-to-shared-lib-inner，分别将*.o链接为动态可执行程序和共享库。动态可执行程序需要linker才能进一步运行的。链接器也是用arm-linux-androideabi-g++，下面分析讲解：
(1). 动态可执行程序
    主要的参数和介绍如下:
        -Bdynamic ##表示动态链接##
        -fPIE ##链接为位置无关##
        -pie
        -Wl,-z,now ##表示立即绑定##
        -Wl,-dynamic-linker,/system/bin/linker ##指定解释器##
        -lc -lstdc++ -lm ##所需的lib库，需要显式指定，否则编译报错##
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtbegin_dynamic.o
        out/target/product/$proj/EXECUTABLES/test_intermediates/test.o
        prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-linux-androideabi-$version/lib/gcc/arm-linux-androideabi/$version-google/armv7-a/libgcc.a
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtend_android.o
    相比静态链接，多了PIE，立即绑定，解释器。crtbegin_dynamic.o和crtbegin_static.o一样。另外的差别是加载地址可以有系统决定，不像静态链接程序固定到0x8000。
(2). 共享库
    主要的参数和介绍如下:
        -Wl,-shared,-Bsymbolic ##编译为共享库##
        -Wl,-z,now ##表示立即绑定##
        -lc -lstdc++ -lm ##该lib所需的lib库，需要显式指定，否则编译报错##
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtbegin_so.o
        out/target/product/$proj/EXECUTABLES/test_intermediates/test.o
        prebuilts/gcc/linux-x86/arm/arm-linux-androideabi-$version/lib/gcc/arm-linux-androideabi/$version-google/armv7-a/libgcc.a
        out/target/product/$proj/obj/lib/crtend_so.o
    相比动态可执行程序，没有太大变化，不过crtbegin_so.o和crtend_so.o少了_start()等相关代码，共享库不需要入口函数。
4. 移除调试信息
    链接后的程序一般都比较大，因为包含了调试信息，而这些信息不会在运行时用到，所以会将其删除后在放入手机里。这里用到了arm-linux-androideabi-strip --strip-all功能：

5. libgcc.a
    GCC在一些平台上提供了一个低级运行时库，libgcc.a或者libgcc_s.so.1. 一旦需要执行某些过于复杂而无法通过内嵌代码实现的操作，GCC便会自动生成对这些库函数的调用。
    大多数libgcc中的函数用来处理目标处理器不能直接执行的算术运算（包括整数乘除，所有浮点运算）, 还包括异常处理, 少数杂项操作。
    详细请参考: http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gccint/Libgcc.html#Libgcc
6. crt*.o
    这些都是c运行时库，用于执行进入main之前的初始化和退出main之后的扫尾工作：
        __PREINIT_ARRAY__, __INIT_ARRAY__:初始化时调用的函数数组
        __FINI_ARRAY__: 结束时调用的函数数组
        __CTOR_LIST__: 初始化时调用的构造函数数组

    这些数组都是以-1开始，以0结束：

    对应的代码（crtbegin.c）如下：

    

结语

    上面只是讲解编译涉及到的部分知识，实际上用到的技术更多，需要大家自己深入了解和实践。