Linux下生成动态链接库是否必须使用 -fPIC 的问题

在 Linux 下制作动态链接库，“标准” 的做法是编译成位置无关代码（Position Independent Code，PIC），然后链接成一个动态链接库。经常遇到的一个问题是 -fPIC 是不是必需，因为好像不加经常也能正常运行，只是创建 .so 的时候会有一个警告。

搜索、试验了一下，答案似乎是这样：

(1) 通常的建议是始终加上 -fPIC 生成位置无关代码；

(2) AMD64 下，必须使用位置无关代码，否则连接失败：

relocation R_X86_64_32S against `a local symbol' can not be used when making a shared object; recompile with -fPIC

(3) IA32 下，连接成功，但有警告：

warning: creating a DT_TEXTREL in object.

这样的 .so 文件可以完全正常工作。

可执行文件在链接时就知道每一行代码、每一个变量会被放到线性地址空间的什么位置，因此这些地址可以都作为常数写到代码里面。对动态库，这就不行了，这要等到加载时才知道。无非下面两种方法：

(1) 可重定位代码（relocatable code）：Windows DLL 以及不使用 -fPIC 的 Linux SO。

生成动态库时假定它被加载在地址 0 处。加载时它会被加载到一个地址（base），这时要进行一次重定位（relocation），把代码、数据段中所有的地址加上这个 base 的值。这样代码运行时就能使用正确的地址了。

(2) 位置无关代码（position independent code）：使用 -fPIC 的 Linux SO。

这样的代码本身就能被放到线性地址空间的任意位置，无需修改就能正确执行。通常的方法是获取指令指针（如 IA32 的 EIP 寄存器）的值，加上一个偏移得到全局变量/函数的地址。

PIC vs. relocatable：

(1) PIC 的缺点主要就是代码有可能长一些。例如 IA32，由于不能直接使用 [EIP+constant] 这样的寻址方式，甚至不能直接将 EIP 的值交给其他寄存器，要用到 GOT（global offset table）来定位全局变量和函数。这样导致代码的效率略低。

(2) PIC 的加载速度稍快，因为不需要做重定位。

(3) 多个进程引用同一个 PIC 动态库时，可以共用内存。这一个库在不同进程中的虚拟地址不同，但操作系统显然会把它们映射到同一块物理内存上。对于可重定位代码，则必须为每个库都在物理内存中复制一份副本，因为需要修改其中的地址。当然，主流现代操作系统都启用了分页内存机制，这使得重定位时可以使用 COW（copy on write）来节省内存（32 位 Windows 就是这样做的）；然而，页面的粒度还是比较大的（例如 IA32 上是 4KiB），至少对于代码段来说能节省的相当有限。

注：对于 AMD64，由于 AMD64 实现了 [RIP+constant] 的寻址方式，第 (1) 点不成立。

这样，把动态库编译成 PIC 只有好处没有坏处，因而 Linux AMD64 要求用于生成动态库的目标文件必须使用 -fPIC 编译也合情合理了。