在Linux系统中，动态链接使用PLT（Procedure Linkage Table）和GOT（Global Offset Table）的原因主要涉及动态库的延迟加载、地址空间的优化、以及运行时函数地址的重定向。其中，运行时函数地址的重定向特别关键，因为它允许程序在运行时解析未知的函数地址，实现对动态库函数的有效调用。
一、理解PLT和GOT的作用
首先，我们需要简单理解PLT和GOT在动态链接中承担的角色。PLT（Procedure Linkage Table）提供了一种机制，使得程序在运行时能调用到动态库（如.so文件）中的函数。而GOT（Global Offset Table）则用于存储全局变量和动态链接库函数的地址，使得这些地址可以在程序运行时得到更新。
动态库的延迟加载是指，程序在启动时并不立即加载所有动态库中的函数和变量，而是等到实际运行到需要调用这些函数和变量时，才进行加载。这种方式可以减少程序的启动时间，降低内存占用。PLT和GOT正是实现这一机制的重要工具。
二、动态链接的延迟加载
在程序执行阶段，当首次调用某个动态库中的函数时，由于这个函数的具体地址尚未被解析，程序需要跳转到对应的PLT项，PLT中的指令将引导程序查询GOT，若GOT中该函数的地址仍未解析，就会触发动态链接器（如ld.so）介入，动态链接器负责找到该函数的真实地址，并更新GOT表中的对应项，最后控制权转交到函数的真实地址上。通过这种方式，PLT和GOT配合实现了函数的延迟加载。
三、地址空间的优化
由于可执行文件在编译时不能确定动态库中函数的确切地址，使用PLT和GOT可以在程序运行时解析这些地址。这种机制允许多个程序共享同一动态库的单一物理副本，因此，使用PLT和GOT有助于减少系统的内存使用，提高地址空间的利用率。共享动态库不需要在每个使用它的进程中都有一个副本，从而达到了内存使用的优化。
四、运行时函数地址的重定向
运行时函数地址的重定向是PLT和GOT最关键的功能。当程序在执行过程中第一次调用一个动态库函数时，它实际上是调用了PLT中的一个跳转指令，这个跳转指令进一步引导程序查找GOT中对应的条目。如果该函数的地址还未被解析，动态链接器将会被调用来寻找这个地址，并将其写入GOT中。这个机制确保了即便是在程序运行时，函数的地址也可以被正确地解析和重定向，从而使得动态链接成为可能。
通过PLT和GOT，Linux系统中的动态链接实现了地址的延迟绑定，提供了强大的运行时解析能力，不仅保证了动态库使用的灵活性和方便性，还通过共享机制优化了系统资源的使用。这些机制的设计和实现，使得Linux系统在运行复杂应用程序时，能够高效、灵活地处理不同动态库之间的依赖关系。
相关问答FAQs：
1. 为什么Linux动态链接需要使用PLT表和GOT表？
动态链接是Linux系统中一种常见的技术，它允许多个程序共用一个或多个库文件，提高了代码的重用性。PLT（Procedure Linkage Table）表和GOT（Global Offset Table）表是在动态链接过程中用来实现函数调用的重要数据结构。
2. PLT表和GOT表在Linux动态链接中的作用是什么？
PLT表（Procedure Linkage Table）用于保存动态链接过程中需要调用的各个函数的地址。当程序需要调用一个函数时，它会通过PLT表查找相应函数的地址，然后跳转到该地址执行函数。PLT表的存在可以提高程序执行的效率，避免了每次都进行符号查找。
GOT表（Global Offset Table）则用来存储全局变量和函数的地址。它是用来解决两个问题的：一是减少程序和库的修改，使得它们可以在不同的地址空间中加载；二是减少重定位时的运行时开销，通过在GOT表中存储全局符号的地址，减少了重定位的次数。
3. PLT表和GOT表具体是如何工作的？
当程序进行动态链接时，系统会为每个需要调用的函数生成一个对应的PLT表项，该表项中包含函数的名称和一个跳转指令。当程序第一次调用这个函数时，PLT表中的跳转指令会将控制流程转移到链接器指定的代码段中，然后链接器会通过GOT表来查找函数的真实地址并将其写入到PLT表项中。之后，程序再次调用同一个函数时，会直接跳转到PLT表项中保存的地址，从而实现了对函数的调用。
GOT表的工作原理类似，当程序访问一个全局变量或函数时，会通过GOT表来查找其真实的地址。如果在GOT表中没有找到对应的地址，则会触发一个陷阱（trap），链接器会在运行时从相应的库文件中加载符号的实际地址并更新到GOT表中。
综上所述，PLT表和GOT表在Linux动态链接中起着关键的作用，它们通过提供函数和全局变量的地址信息，实现了程序的动态调用和重定位。
