glibcを利用しないコンパイル方法
はじめに
今回の検証を行うに至った動機としてリンカやローダといった、一般的にコンパイラとして一括りにされているソフトウェアについて勉強する過程でライブラリを利用せずにコンパイルを行うにはどうすればいいのか、という疑問が生まれました。
そこで、glibcを用いずにコンパイルを行ってみることにしました。
glibcを利用したコンパイル
ライブラリを用いないコンパイルを行う前に、比較を行えるようglibcを用いた一般的なコンパイルを行ったバイナリを生成しました。
そのソースコードは以下になります。
#include <stdio.h> int main() { printf("Hello World!\n"); return 0; }
このソースコードをコンパイルし実行すると以下のようになります。
> gcc -o hello hello.c > ./hello Hello World! >
特に問題なく動作しています。
次に、このバイナリのもつセクション情報と逆アセンブル、サイズを調査しました。
> objdump -h hello
hello: file format elf64-x86-64
Sections:
Idx Name Size VMA LMA File off Algn
0 .interp 0000001c 0000000000400238 0000000000400238 00000238 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
1 .note.ABI-tag 00000020 0000000000400254 0000000000400254 00000254 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
2 .note.gnu.build-id 00000024 0000000000400274 0000000000400274 00000274 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
3 .gnu.hash 0000001c 0000000000400298 0000000000400298 00000298 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
4 .dynsym 00000060 00000000004002b8 00000000004002b8 000002b8 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
5 .dynstr 0000003d 0000000000400318 0000000000400318 00000318 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
6 .gnu.version 00000008 0000000000400356 0000000000400356 00000356 2**1
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
7 .gnu.version_r 00000020 0000000000400360 0000000000400360 00000360 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
8 .rela.dyn 00000018 0000000000400380 0000000000400380 00000380 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
9 .rela.plt 00000030 0000000000400398 0000000000400398 00000398 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
10 .init 0000001a 00000000004003c8 00000000004003c8 000003c8 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
11 .plt 00000030 00000000004003f0 00000000004003f0 000003f0 2**4
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
12 .plt.got 00000008 0000000000400420 0000000000400420 00000420 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
13 .text 00000182 0000000000400430 0000000000400430 00000430 2**4
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
14 .fini 00000009 00000000004005b4 00000000004005b4 000005b4 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
15 .rodata 00000011 00000000004005c0 00000000004005c0 000005c0 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
16 .eh_frame_hdr 00000034 00000000004005d4 00000000004005d4 000005d4 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
17 .eh_frame 000000f4 0000000000400608 0000000000400608 00000608 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
18 .init_array 00000008 0000000000600e10 0000000000600e10 00000e10 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
19 .fini_array 00000008 0000000000600e18 0000000000600e18 00000e18 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
20 .jcr 00000008 0000000000600e20 0000000000600e20 00000e20 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
21 .dynamic 000001d0 0000000000600e28 0000000000600e28 00000e28 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
22 .got 00000008 0000000000600ff8 0000000000600ff8 00000ff8 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
23 .got.plt 00000028 0000000000601000 0000000000601000 00001000 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
24 .data 00000010 0000000000601028 0000000000601028 00001028 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, DATA
25 .bss 00000008 0000000000601038 0000000000601038 00001038 2**0
ALLOC
26 .comment 00000034 0000000000000000 0000000000000000 00001038 2**0
CONTENTS, READONLY
> objdump -d hello
hello: file format elf64-x86-64
Disassembly of section .init:
00000000004003c8 <_init>:
4003c8: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
4003cc: 48 8b 05 25 0c 20 00 mov 0x200c25(%rip),%rax # 600ff8 <_DYNAMIC+0x1d0>
4003d3: 48 85 c0 test %rax,%rax
4003d6: 74 05 je 4003dd <_init+0x15>
4003d8: e8 43 00 00 00 callq 400420 <__libc_start_main@plt+0x10>
4003dd: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
4003e1: c3 retq
Disassembly of section .plt:
00000000004003f0 <puts@plt-0x10>:
4003f0: ff 35 12 0c 20 00 pushq 0x200c12(%rip) # 601008 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x8>
4003f6: ff 25 14 0c 20 00 jmpq *0x200c14(%rip) # 601010 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x10>
4003fc: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
0000000000400400 <puts@plt>:
400400: ff 25 12 0c 20 00 jmpq *0x200c12(%rip) # 601018 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x18>
400406: 68 00 00 00 00 pushq $0x0
40040b: e9 e0 ff ff ff jmpq 4003f0 <_init+0x28>
0000000000400410 <__libc_start_main@plt>:
400410: ff 25 0a 0c 20 00 jmpq *0x200c0a(%rip) # 601020 <_GLOBAL_OFFSET_TABLE_+0x20>
400416: 68 01 00 00 00 pushq $0x1
40041b: e9 d0 ff ff ff jmpq 4003f0 <_init+0x28>
Disassembly of section .plt.got:
0000000000400420 <.plt.got>:
400420: ff 25 d2 0b 20 00 jmpq *0x200bd2(%rip) # 600ff8 <_DYNAMIC+0x1d0>
400426: 66 90 xchg %ax,%ax
Disassembly of section .text:
0000000000400430 <_start>:
400430: 31 ed xor %ebp,%ebp
400432: 49 89 d1 mov %rdx,%r9
400435: 5e pop %rsi
400436: 48 89 e2 mov %rsp,%rdx
400439: 48 83 e4 f0 and $0xfffffffffffffff0,%rsp
40043d: 50 push %rax
40043e: 54 push %rsp
40043f: 49 c7 c0 b0 05 40 00 mov $0x4005b0,%r8
400446: 48 c7 c1 40 05 40 00 mov $0x400540,%rcx
40044d: 48 c7 c7 26 05 40 00 mov $0x400526,%rdi
400454: e8 b7 ff ff ff callq 400410 <__libc_start_main@plt>
400459: f4 hlt
40045a: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
0000000000400460 <deregister_tm_clones>:
400460: b8 3f 10 60 00 mov $0x60103f,%eax
400465: 55 push %rbp
400466: 48 2d 38 10 60 00 sub $0x601038,%rax
40046c: 48 83 f8 0e cmp $0xe,%rax
400470: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
400473: 76 1b jbe 400490 <deregister_tm_clones+0x30>
400475: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
40047a: 48 85 c0 test %rax,%rax
40047d: 74 11 je 400490 <deregister_tm_clones+0x30>
40047f: 5d pop %rbp
400480: bf 38 10 60 00 mov $0x601038,%edi
400485: ff e0 jmpq *%rax
400487: 66 0f 1f 84 00 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
40048e: 00 00
400490: 5d pop %rbp
400491: c3 retq
400492: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
400496: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
40049d: 00 00 00
00000000004004a0 <register_tm_clones>:
4004a0: be 38 10 60 00 mov $0x601038,%esi
4004a5: 55 push %rbp
4004a6: 48 81 ee 38 10 60 00 sub $0x601038,%rsi
4004ad: 48 c1 fe 03 sar $0x3,%rsi
4004b1: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4004b4: 48 89 f0 mov %rsi,%rax
4004b7: 48 c1 e8 3f shr $0x3f,%rax
4004bb: 48 01 c6 add %rax,%rsi
4004be: 48 d1 fe sar %rsi
4004c1: 74 15 je 4004d8 <register_tm_clones+0x38>
4004c3: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
4004c8: 48 85 c0 test %rax,%rax
4004cb: 74 0b je 4004d8 <register_tm_clones+0x38>
4004cd: 5d pop %rbp
4004ce: bf 38 10 60 00 mov $0x601038,%edi
4004d3: ff e0 jmpq *%rax
4004d5: 0f 1f 00 nopl (%rax)
4004d8: 5d pop %rbp
4004d9: c3 retq
4004da: 66 0f 1f 44 00 00 nopw 0x0(%rax,%rax,1)
00000000004004e0 <__do_global_dtors_aux>:
4004e0: 80 3d 51 0b 20 00 00 cmpb $0x0,0x200b51(%rip) # 601038 <__TMC_END__>
4004e7: 75 11 jne 4004fa <__do_global_dtors_aux+0x1a>
4004e9: 55 push %rbp
4004ea: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
4004ed: e8 6e ff ff ff callq 400460 <deregister_tm_clones>
4004f2: 5d pop %rbp
4004f3: c6 05 3e 0b 20 00 01 movb $0x1,0x200b3e(%rip) # 601038 <__TMC_END__>
4004fa: f3 c3 repz retq
4004fc: 0f 1f 40 00 nopl 0x0(%rax)
0000000000400500 <frame_dummy>:
400500: bf 20 0e 60 00 mov $0x600e20,%edi
400505: 48 83 3f 00 cmpq $0x0,(%rdi)
400509: 75 05 jne 400510 <frame_dummy+0x10>
40050b: eb 93 jmp 4004a0 <register_tm_clones>
40050d: 0f 1f 00 nopl (%rax)
400510: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400515: 48 85 c0 test %rax,%rax
400518: 74 f1 je 40050b <frame_dummy+0xb>
40051a: 55 push %rbp
40051b: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40051e: ff d0 callq *%rax
400520: 5d pop %rbp
400521: e9 7a ff ff ff jmpq 4004a0 <register_tm_clones>
0000000000400526 <main>:
400526: 55 push %rbp
400527: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
40052a: bf c4 05 40 00 mov $0x4005c4,%edi
40052f: e8 cc fe ff ff callq 400400 <puts@plt>
400534: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
400539: 5d pop %rbp
40053a: c3 retq
40053b: 0f 1f 44 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
0000000000400540 <__libc_csu_init>:
400540: 41 57 push %r15
400542: 41 56 push %r14
400544: 41 89 ff mov %edi,%r15d
400547: 41 55 push %r13
400549: 41 54 push %r12
40054b: 4c 8d 25 be 08 20 00 lea 0x2008be(%rip),%r12 # 600e10 <__frame_dummy_init_array_entry>
400552: 55 push %rbp
400553: 48 8d 2d be 08 20 00 lea 0x2008be(%rip),%rbp # 600e18 <__init_array_end>
40055a: 53 push %rbx
40055b: 49 89 f6 mov %rsi,%r14
40055e: 49 89 d5 mov %rdx,%r13
400561: 4c 29 e5 sub %r12,%rbp
400564: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
400568: 48 c1 fd 03 sar $0x3,%rbp
40056c: e8 57 fe ff ff callq 4003c8 <_init>
400571: 48 85 ed test %rbp,%rbp
400574: 74 20 je 400596 <__libc_csu_init+0x56>
400576: 31 db xor %ebx,%ebx
400578: 0f 1f 84 00 00 00 00 nopl 0x0(%rax,%rax,1)
40057f: 00
400580: 4c 89 ea mov %r13,%rdx
400583: 4c 89 f6 mov %r14,%rsi
400586: 44 89 ff mov %r15d,%edi
400589: 41 ff 14 dc callq *(%r12,%rbx,8)
40058d: 48 83 c3 01 add $0x1,%rbx
400591: 48 39 eb cmp %rbp,%rbx
400594: 75 ea jne 400580 <__libc_csu_init+0x40>
400596: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
40059a: 5b pop %rbx
40059b: 5d pop %rbp
40059c: 41 5c pop %r12
40059e: 41 5d pop %r13
4005a0: 41 5e pop %r14
4005a2: 41 5f pop %r15
4005a4: c3 retq
4005a5: 90 nop
4005a6: 66 2e 0f 1f 84 00 00 nopw %cs:0x0(%rax,%rax,1)
4005ad: 00 00 00
00000000004005b0 <__libc_csu_fini>:
4005b0: f3 c3 repz retq
Disassembly of section .fini:
00000000004005b4 <_fini>:
4005b4: 48 83 ec 08 sub $0x8,%rsp
4005b8: 48 83 c4 08 add $0x8,%rsp
4005bc: c3 retq
> size hello
text data bss dec hex filename
1183 552 8 1743 6cf hello
> ldd hello
linux-vdso.so.1 => (0x00007fffe999f000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007ff8480c0000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff848600000)
>
この時点ではこのようになっているのだな、程度の調査のみを行い次に行うglibcを利用せずに生成したバイナリを調査する際に比較を行います。
glibcを利用しないコンパイル
次に、glibcを利用せずにコンパイルを行います。まず初めに、コンパイルが正常にできるかを確認するために以下のソースコードを用います。
int main() { char *text = "Hello World!\n"; return 0; }
最初にコンパイルを行ったソースコードではライブラリを利用することができたので「stdio.h」というヘッダファイルをインクルードしていましたが、今回は利用しないので文字列を「text」という変数に初期値設定しています。
また、glibcを利用しない場合は「 -nostdlib 」というオプションを追加します。
ubnt@ubuntu:~$ gcc -nostdlib -o hello_no_libc hello.c /usr/bin/ld: 警告: エントリシンボル _start が見つかりません。デフォルトとして 0000000000400144 を使用します
どうやらそのままではコンパイルができず、エラー内容を読んでみると「_start」というエントリシンボルが存在していないようでした。
このエントリシンボルとはエントリポイントのことであり、このシンボルが存在していないため実行できないということでした。
ということで、エントリポイントを記述します。
.global _start _start: call main mov $60, %eax xor %rdi, %rdi syscall
これでコンパイルを行うために必要な材料はそろったので実際にコンパイルを行ってみます。
ubnt@ubuntu:~$ gcc -nostdlib stubstart.s -o hello_no_libc hello.c ubnt@ubuntu:~$ ./hello_no_libc ubnt@ubuntu:~$
問題なく動作することがわかりました。しかし、これでは比較を行えないのでインクルードファイルからprintf関数の基となるwriteシステムコールラッパを探そうと思ったのですが、システムコールに関する処理はあらかじめコンパイルされてアセンブラとなっているのではないか、という結論に至りインラインアセンブラを用いてwriteシステムコールを呼び出す処理を追加しました。以下はそのソースコードです。
#define WRITE_SYS_NUM 4 #define STDOUT_FILENO 1 int main() { char *str = "Hello World, I am chouett0.\nnice to meet you!!1!\n"; int len=0, err; while (str[len] != '\0') { len++; } asm volatile("mov %0, %%eax" : : "i"(WRITE_SYS_NUM)); asm volatile("mov %0, %%ebx" : : "i"(STDOUT_FILENO)); asm volatile("mov %0, %%ecx" : : "m"(str)); asm volatile("mov %0, %%edx" : : "m"(len)); asm volatile("int $0x80" : "=a"(err)); return 0; }
特に複雑な部分もなく、インラインアセンブラにてwriteシステムコールを呼び出すシステムコール番号とstdoutを意味する「1」,表示する文字列、文字列の長さを各レジスタに格納してint 0x80でシステムコールを呼び出します。その結果は以下のようになり正常に動作することがわかります。
ubnt@ubuntu:~$ gcc -nostdlib stubstart.s -o hello_nolibc hello_nolibc.c ubnt@ubuntu:~$ ./hello_nolibc Hello World, I am chouett0. nice to meet you!!1! ubntubuntu:~$
次に、このバイナリの各セクション情報、逆アセンブラ、サイズを確認します。
ubnt@ubuntu:~$ objdump -h hello_nolibc
hello_nolibc: ファイル形式 elf64-x86-64
セクション:
索引名 サイズ VMA LMA File off Algn
0 .note.gnu.build-id 00000024 0000000000400120 0000000000400120 00000120 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
1 .text 0000005c 0000000000400144 0000000000400144 00000144 2**0
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, CODE
2 .rodata 00000032 00000000004001a0 00000000004001a0 000001a0 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
3 .eh_frame_hdr 00000014 00000000004001d4 00000000004001d4 000001d4 2**2
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
4 .eh_frame 00000038 00000000004001e8 00000000004001e8 000001e8 2**3
CONTENTS, ALLOC, LOAD, READONLY, DATA
5 .comment 00000034 0000000000000000 0000000000000000 00000220 2**0
CONTENTS, READONLY
ubnt@ubuntu:~$ objdump -d hello_nolibc
hello_nolibc: ファイル形式 elf64-x86-64
セクション .text の逆アセンブル:
0000000000400144 <_start>:
400144: e8 0a 00 00 00 callq 400153 <main>
400149: b8 3c 00 00 00 mov $0x3c,%eax
40014e: 48 31 ff xor %rdi,%rdi
400151: 0f 05 syscall
0000000000400153 <main>:
400153: 55 push %rbp
400154: 48 89 e5 mov %rsp,%rbp
400157: 48 c7 45 f0 a0 01 40 movq $0x4001a0,-0x10(%rbp)
40015e: 00
40015f: c7 45 ec 00 00 00 00 movl $0x0,-0x14(%rbp)
400166: eb 09 jmp 400171 <main+0x1e>
400168: 8b 45 ec mov -0x14(%rbp),%eax
40016b: 83 c0 01 add $0x1,%eax
40016e: 89 45 ec mov %eax,-0x14(%rbp)
400171: 48 8b 55 f0 mov -0x10(%rbp),%rdx
400175: 8b 45 ec mov -0x14(%rbp),%eax
400178: 48 98 cltq
40017a: 48 01 d0 add %rdx,%rax
40017d: 0f b6 00 movzbl (%rax),%eax
400180: 84 c0 test %al,%al
400182: 75 e4 jne 400168 <main+0x15>
400184: b8 04 00 00 00 mov $0x4,%eax
400189: bb 01 00 00 00 mov $0x1,%ebx
40018e: 8b 4d f0 mov -0x10(%rbp),%ecx
400191: 8b 55 ec mov -0x14(%rbp),%edx
400194: cd 80 int $0x80
400196: 89 45 fc mov %eax,-0x4(%rbp)
400199: b8 00 00 00 00 mov $0x0,%eax
40019e: 5d pop %rbp
40019f: c3 retq
ubnt@ubuntu:~$ size hello_nolibc
text data bss dec hex filename
254 0 0 254 fe hello_nolibc
an3m0ne@an3m0ne:~$ ldd hello_nolibc
動的実行ファイルではありません
ubnt@ubuntu:~$
比較するまでもなく、各項目で明らかに違いがあることがわかります。
まず、セクション情報ではglibcを利用していないので無駄なものが無く変数の値が変化することもないのでtextセクション内で完結することによりbssセクションも必要がなくなります。(文字列をconstで宣言することでさらに無駄が省ける？)また、関数を利用せず直接システムコールを実行しているのでPLT領域も必要なくなります。
次に、逆アセンブラ情報では先ほども述べたPLTに関係する関数やGOTなどが存在せず_startとmainでのみ構成されていることがわかります。その結果、glibcを利用している時には1743byteあったバイナリがglibcを利用していない場合では254byteにまで縮小され明らかにサイズが変化していることがわかります。また、共有ライブラリを一切利用していないこともわかりました。
まとめ
今回の検証でライブラリの便利さや、リンカがどのようにバイナリを生成していくのかを少し理解できたと思います。また、ライブラリの冗長さを改めて理解でき大規模なソフトウェアであれば変わりはないものの今回のような小さなバイナリではその冗長さが速度の低下につながり、そういった部分がパフォーマンスチューニングにつながるのだろうか、と感じました。
