Linux 系统中LD_PRELOAD有哪些用处？

在 Linux 系统中LD_PRELOAD是动态链接技术中提供的一个强大的扩展功能允许在程序运行前优先加载指定的动态链接库从而改变程序的行为而无需修改程序源代码。在实际的工作中LD_PRELOAD的使用场景是非常多的比如替换 linux 的内存分配器、故障注入、安全审计等。这篇文章我们来详细看看LD_PRELOAD的原理和使用方法。LD_PRELOAD的工作原理LD_PRELOAD 是一个环境变量通过 LD_PRELOAD 这个环境变量指定的共享库可以覆盖其他库中的同名符号。利用这一特性我们可以拦截某些库函数的调用修改其行为或者在调用前后插入一些代码。我们接下来通过 LD_PRELOAD 实现在 open 函数的前后都注入一行打印。在这之前我们需要介绍一些前置的知识。dlsym 函数dlsym 的作用是在一个已经打开的动态链接库中查找符号函数或变量的地址定义如下void *dlsym(void *handle, const char *symbol);其中 handle 是动态链接库句柄symbol是要查找的符号名函数或变量。比如查找 printf 函数dlsym(RTLD_NEXT, printf);RTLD_NEXT 是一个特殊的标记使用RTLD_NEXT时 dlsym 会从当前共享对象之后的下一个共享对象中查找 printf 函数的地址。如果要能彻底理解 RTLD_NEXT需要弄清楚动态链接库的加载顺序和内存映射应该大部分同学接触不到我这里先不展开。先来看一下open函数的原始定义#include fcntl.h int open(const char *pathname, int flags, ... /* mode_t mode */ );为了实现 open 函数的 hook我们需要定义一个 open 函数的函数指针定义 orig_open 用来接受 dlsym 函数的返回值。int (*orig_open)(const char *, int, ...);完整的代码如下#define _GNU_SOURCE #include stdio.h #include dlfcn.h #include fcntl.h int (*orig_open)(const char *, int, ...); int open(const char *filename, int flags, ...) { orig_open dlsym(RTLD_NEXT, open); int mode 0; // todo: get mode from varargs int result orig_open(filename, flags, mode); fprintf(stderr, [audit] open %s, fd: %d\n, filename, result); return result; }把这个文件编译为open_hook.so文件gcc -shared -fPIC -o open_hook.so open_hook.c -ldl用 LD_PRELOAD 加载就可以拦截目标进程的文件访问输出审计日志» LD_PRELOAD./open_hook.so cat /etc/hosts [audit] open /etc/hosts, fd: 3 127.0.0.1 localhost.localdomain localhost ::1 localhost6.localdomain6 localhost6 ...通过 LD_PRELOAD 审计我们就可以记录 cat 命令读取和输出 /etc/passwd 文件的过程。使用 LD_PRELOAD 做故障注入我们可以修改内存分配函数的行为、模拟内存不足等异常情况测试程序的健壮性。下面这段代码随机让 malloc 函数返回 ENOMEM 错误看上层应用是否可以正确处理。#define _GNU_SOURCE #include dlfcn.h #include stdio.h #include stdlib.h #include unistd.h #include string.h #include errno.h void *(*orig_malloc)(size_t); void *malloc(size_t size) { orig_malloc dlsym(RTLD_NEXT, malloc); if (rand() % 3 0) { fprintf(stderr, [fault] malloc(%ld) NULL\n, size); errno ENOMEM; return NULL; } void* result orig_malloc(size); fprintf(stderr, [audit] malloc(%ld) %p\n, size, result); return result; }此时我们执行LD_PRELOAD./malloc_hook.so ps -ef会发现 ps 命令没有很好地处理 malloc 返回异常的情况直接 panic 了。而有些命令则很好的处理了比如LD_PRELOAD./malloc_hook.so ls命令。使用 ld_preload 来做内存分析默认的 Linux 内存分配器 ptmalloc 在性能和内存碎片方面表现不是很好另外 profile 的功能很弱可以尝试替换默认的内存分配器为 jemalloc 或者 tcmalloc。它们的原理都是 hook 系统 malloc、free 等内存申请释放函数的实现增加 profile 的逻辑。从源码编译 tcmallocgithub.com/gperftools/… LD_PRELOAD 来 hook 内存分配释放的函数HEAPPROFILE./heap.log HEAP_PROFILE_ALLOCATION_INTERVAL104857600 LD_PRELOAD./libtcmalloc_and_profiler.so java -jar xxx ..启动过程中就会看到生成了很多内存 dump 的分析文件接下来使用 pprof 将 heap 文件转为可读性比较好的 pdf 文件。内存申请的链路如下图所示通过这里可以看到绝大部分的内存申请都耗在了 Java_java_util_zip_Inflater_inflateBytes接下来就可以进一步分析。小结有了 LD_PRELOAD 的能力可以在不修改源码的情况下 hack 很多应用程序的功能不过它也有一些限制不适用静态链接的程序。要千万小心避免递归调用比如在自定义的 malloc 函数中调用 printf 可能会再次调用 malloc导致无限递归。可以使用 sprintf 而不是 printf 来避免这种情况。