无法分配链接描述文件中定义的变量的地址

Question

我找到了解决办法，虽然我不明白哪里出了问题。这是原始问题。解决方案在最后。

我正在关注此 Raspberry PI OS tutorial 并进行了一些调整。正如标题所说，一项作业似乎失败了。

这是我的 C 代码：

extern int32_t __end;
static int32_t *arena;

void init() {
    arena = &__end;
    assert(0 != arena); // fails
    ...

断言触发！地址当然不应该是 0。 __end 在我的链接描述文件中声明：

ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    /* Starts at LOADER_ADDR. 0x8000 is a convention. */
    . = 0x8000;
    __start = .;
    .text : {
        *(.text)
    }
    .rodata : { *(.rodata) }
    .data : { *(.data) }
    /* Define __bss_start and __bss_end for boot.s to set to 0 */
    __bss_start=.;
    .bss : { *(.bss) }
    __bss_end=.;
    /* First usable address for the allocator */
    . = ALIGN(4);
    __end = .;
}

在 GDB 中调查（运行在 QEMU 中）：

Thread 1 hit Breakpoint 1, init () at os.c:75
75      arena = &__end;
(gdb) p &__end
 = (int32_t *) 0x9440
(gdb) p arena
 = (int32_t *) 0x0
(gdb) n
76      assert(0 != arena);
(gdb) p arena
 = (int32_t *) 0x0

GDB 可以找到 __end 但我的程序找不到？

以下是我尝试过的其他一些方法：

本教程的代码可以正常工作（暗示 QEMU 和 ARM 编译器可以正常工作）
当运行没有 GDB 时断言仍然失败（暗示 GDB 不是问题）
我可以将 0xccc 分配给 arena（暗示竞技场不是问题）
我无法将 &__end 分配给局部变量（暗示 &__end 是问题所在）。

根据评论中的要求，这就是我尝试分配给局部变量的方式：

void* arena2 = (void*)&__end;
assert(0 != arena2);

断言失败。在 GDB 中：

Thread 1 hit Breakpoint 1, mem_init () at mem.c:77
77      void* arena2 = (void*)&__end;
(gdb) p arena2
 = (void *) 0x13
(gdb) p &__end
 = (int32_t *) 0x94a4
(gdb) n
78      assert(0 != arena2);
(gdb) p arena2
 = (void *) 0x0
(gdb) p &__end
 = (int32_t *) 0x94a4

assert(0 != &__end); 成功（暗示 &__end 不是问题？）

N.B。此版本的 assert 与 assert.h 中的版本不同，但我不认为它会导致问题。它只是检查一个条件，打印条件，然后转到断点。我可以在 GDB 中重现该问题，并将断言注释掉。

N.B.2。我之前包含了 C 代码的 ARM 程序集，以防出现编译器错误

我的解决方案是将链接描述文件编辑为：

ENTRY(_start)

SECTIONS
{
    /* Starts at LOADER_ADDR. 0x8000 is a convention. */
    . = 0x8000;
    __start = .;
    .text : {
        *(.text)
    }
    . = ALIGN(4096);
    .rodata : { *(.rodata) }
    . = ALIGN(4096);
    .data : { *(.data) }
    . = ALIGN(4096);
    /* Define __bss_start and __bss_end for boot.s to set to 0 */
    __bss_start = .;
    .bss : { *(.bss) }
    . = ALIGN(4096);
    __bss_end = .;
    /* First usable address for the allocator */
    . = ALIGN(4096);
    __end = .;
}

我不明白为什么额外的 ALIGN 很重要。

Answer 1

您在这里遇到的问题是因为 boot.S 中的 "clear the BSS" 循环也在清除 C 代码在运行时使用的 ELF 文件中的一些编译器生成的数据。值得注意的是，它不小心将 .got ELF 部分中的 GOT（全局偏移量 table）归零，[=52= 放置了 __end 标签的实际地址。 ]呃。因此，linker 正确地填写了 ELF 文件中的地址，但随后 boot.S 代码将其归零，当您尝试从 C 读取它时，您得到的是零，而不是您所期望的。

在 linker 脚本中添加所有对齐方式可能会通过巧合地导致 GOT 不在被归零的区域中来解决这个问题。

您可以使用 'objdump -x myos.elf' 查看 link 人把东西放在哪里了。在我基于教程的测试用例中 link 我看到一个 SYMBOL TABLE 其中包括其他条目：

000080d4 l       .bss   00000004 arena
00000000 l    df *ABS*  00000000 
000080c8 l     O .got.plt       00000000 _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
000080d8 g       .bss   00000000 __bss_end
0000800c g     F .text  00000060 kernel_main
00008000 g       .text  00000000 __start
0000806c g       .text.boot     00000000 _start
000080d8 g       .bss   00000000 __end
00008000 g     F .text  0000000c panic
000080c4 g       .text.boot     00000000 __bss_start

所以可以看到linker脚本把__bss_start设置为0x80c4，__bss_end设置为0x80d8，很遗憾，因为GOT在0x80c4/0x80c8。我认为这里发生的事情是因为你没有在你的 linker 脚本中明确指定放置 .got 和 .got.plt 部分的位置，所以 linker 决定把它们在 __bss_start 分配之后和 .bss 部分之前，因此它们被归零代码覆盖。

您可以看到 .got 的 ELF 文件内容是什么'objdump --disassemble-all myos.elf'，其中包括：

Disassembly of section .got:

000080c4 <.got>:
    80c4:       000080d8        ldrdeq  r8, [r0], -r8   ; <UNPREDICTABLE>

所以你可以看到我们有一个 GOT table 条目，其内容是地址 0x80d8，也就是我们想要的 __end 值。当 boot.S 代码将其清零时，您的 C 代码读取的是 0 而不是它期望的常量。

你可能应该确保 bss start/end 至少是 16 对齐的，因为 boot.S 代码通过一次清除 16 个字节的循环工作，但我认为如果你修复你的 linker 脚本以明确地将 .got 和 .got.plt 部分放在某个地方然后你会发现你不需要到处都是 4K 对齐。

FWIW，我使用以下方法进行了诊断：(1) QEMU“-d in_asm,cpu,exec,int,unimp,guest_errors -singlestep”选项以获得寄存器状态和指令执行的转储以及 (2) ELF 文件的 objdump 以找出编译器生成的代码实际在做什么。我怀疑这会变成 "accidentally zeroed data we shouldn't have" 或 "failed to include in the image or otherwise initialize data we should have" 之类的错误，结果是这样。

哦，GDB 为 __end 打印正确值而您的代码不是的原因是 GDB 可以直接在 ELF 文件中的 debug/symbol 信息中查找答案;它不是通过内存中的 GOT 来完成的。

无法分配链接描述文件中定义的变量的地址

Cannot assign address of variable defined in linker script

c

raspberry-pi

arm

gdb

qemu