]> CyberLeo.Net >> Repos - FreeBSD/FreeBSD.git/blob - ELF/Relocations.cpp
Vendor import of lld trunk r338150:
[FreeBSD/FreeBSD.git] / ELF / Relocations.cpp
1 //===- Relocations.cpp ----------------------------------------------------===//
2 //
3 //                             The LLVM Linker
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file contains platform-independent functions to process relocations.
11 // I'll describe the overview of this file here.
12 //
13 // Simple relocations are easy to handle for the linker. For example,
14 // for R_X86_64_PC64 relocs, the linker just has to fix up locations
15 // with the relative offsets to the target symbols. It would just be
16 // reading records from relocation sections and applying them to output.
17 //
18 // But not all relocations are that easy to handle. For example, for
19 // R_386_GOTOFF relocs, the linker has to create new GOT entries for
20 // symbols if they don't exist, and fix up locations with GOT entry
21 // offsets from the beginning of GOT section. So there is more than
22 // fixing addresses in relocation processing.
23 //
24 // ELF defines a large number of complex relocations.
25 //
26 // The functions in this file analyze relocations and do whatever needs
27 // to be done. It includes, but not limited to, the following.
28 //
29 //  - create GOT/PLT entries
30 //  - create new relocations in .dynsym to let the dynamic linker resolve
31 //    them at runtime (since ELF supports dynamic linking, not all
32 //    relocations can be resolved at link-time)
33 //  - create COPY relocs and reserve space in .bss
34 //  - replace expensive relocs (in terms of runtime cost) with cheap ones
35 //  - error out infeasible combinations such as PIC and non-relative relocs
36 //
37 // Note that the functions in this file don't actually apply relocations
38 // because it doesn't know about the output file nor the output file buffer.
39 // It instead stores Relocation objects to InputSection's Relocations
40 // vector to let it apply later in InputSection::writeTo.
41 //
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "Relocations.h"
45 #include "Config.h"
46 #include "LinkerScript.h"
47 #include "OutputSections.h"
48 #include "SymbolTable.h"
49 #include "Symbols.h"
50 #include "SyntheticSections.h"
51 #include "Target.h"
52 #include "Thunks.h"
53 #include "lld/Common/Memory.h"
54 #include "lld/Common/Strings.h"
55 #include "llvm/ADT/SmallSet.h"
56 #include "llvm/Support/Endian.h"
57 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
58 #include <algorithm>
59
60 using namespace llvm;
61 using namespace llvm::ELF;
62 using namespace llvm::object;
63 using namespace llvm::support::endian;
64
65 using namespace lld;
66 using namespace lld::elf;
67
68 // Construct a message in the following format.
69 //
70 // >>> defined in /home/alice/src/foo.o
71 // >>> referenced by bar.c:12 (/home/alice/src/bar.c:12)
72 // >>>               /home/alice/src/bar.o:(.text+0x1)
73 static std::string getLocation(InputSectionBase &S, const Symbol &Sym,
74                                uint64_t Off) {
75   std::string Msg =
76       "\n>>> defined in " + toString(Sym.File) + "\n>>> referenced by ";
77   std::string Src = S.getSrcMsg(Sym, Off);
78   if (!Src.empty())
79     Msg += Src + "\n>>>               ";
80   return Msg + S.getObjMsg(Off);
81 }
82
83 // This function is similar to the `handleTlsRelocation`. MIPS does not
84 // support any relaxations for TLS relocations so by factoring out MIPS
85 // handling in to the separate function we can simplify the code and do not
86 // pollute other `handleTlsRelocation` by MIPS `ifs` statements.
87 // Mips has a custom MipsGotSection that handles the writing of GOT entries
88 // without dynamic relocations.
89 static unsigned handleMipsTlsRelocation(RelType Type, Symbol &Sym,
90                                         InputSectionBase &C, uint64_t Offset,
91                                         int64_t Addend, RelExpr Expr) {
92   if (Expr == R_MIPS_TLSLD) {
93     InX::MipsGot->addTlsIndex(*C.File);
94     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
95     return 1;
96   }
97   if (Expr == R_MIPS_TLSGD) {
98     InX::MipsGot->addDynTlsEntry(*C.File, Sym);
99     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
100     return 1;
101   }
102   return 0;
103 }
104
105 // This function is similar to the `handleMipsTlsRelocation`. ARM also does not
106 // support any relaxations for TLS relocations. ARM is logically similar to Mips
107 // in how it handles TLS, but Mips uses its own custom GOT which handles some
108 // of the cases that ARM uses GOT relocations for.
109 //
110 // We look for TLS global dynamic and local dynamic relocations, these may
111 // require the generation of a pair of GOT entries that have associated
112 // dynamic relocations. When the results of the dynamic relocations can be
113 // resolved at static link time we do so. This is necessary for static linking
114 // as there will be no dynamic loader to resolve them at load-time.
115 //
116 // The pair of GOT entries created are of the form
117 // GOT[e0] Module Index (Used to find pointer to TLS block at run-time)
118 // GOT[e1] Offset of symbol in TLS block
119 template <class ELFT>
120 static unsigned handleARMTlsRelocation(RelType Type, Symbol &Sym,
121                                        InputSectionBase &C, uint64_t Offset,
122                                        int64_t Addend, RelExpr Expr) {
123   // The Dynamic TLS Module Index Relocation for a symbol defined in an
124   // executable is always 1. If the target Symbol is not preemptible then
125   // we know the offset into the TLS block at static link time.
126   bool NeedDynId = Sym.IsPreemptible || Config->Shared;
127   bool NeedDynOff = Sym.IsPreemptible;
128
129   auto AddTlsReloc = [&](uint64_t Off, RelType Type, Symbol *Dest, bool Dyn) {
130     if (Dyn)
131       InX::RelaDyn->addReloc(Type, InX::Got, Off, Dest);
132     else
133       InX::Got->Relocations.push_back({R_ABS, Type, Off, 0, Dest});
134   };
135
136   // Local Dynamic is for access to module local TLS variables, while still
137   // being suitable for being dynamically loaded via dlopen.
138   // GOT[e0] is the module index, with a special value of 0 for the current
139   // module. GOT[e1] is unused. There only needs to be one module index entry.
140   if (Expr == R_TLSLD_PC && InX::Got->addTlsIndex()) {
141     AddTlsReloc(InX::Got->getTlsIndexOff(), Target->TlsModuleIndexRel,
142                 NeedDynId ? nullptr : &Sym, NeedDynId);
143     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
144     return 1;
145   }
146
147   // Global Dynamic is the most general purpose access model. When we know
148   // the module index and offset of symbol in TLS block we can fill these in
149   // using static GOT relocations.
150   if (Expr == R_TLSGD_PC) {
151     if (InX::Got->addDynTlsEntry(Sym)) {
152       uint64_t Off = InX::Got->getGlobalDynOffset(Sym);
153       AddTlsReloc(Off, Target->TlsModuleIndexRel, &Sym, NeedDynId);
154       AddTlsReloc(Off + Config->Wordsize, Target->TlsOffsetRel, &Sym,
155                   NeedDynOff);
156     }
157     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
158     return 1;
159   }
160   return 0;
161 }
162
163 // Returns the number of relocations processed.
164 template <class ELFT>
165 static unsigned
166 handleTlsRelocation(RelType Type, Symbol &Sym, InputSectionBase &C,
167                     typename ELFT::uint Offset, int64_t Addend, RelExpr Expr) {
168   if (!(C.Flags & SHF_ALLOC))
169     return 0;
170
171   if (!Sym.isTls())
172     return 0;
173
174   if (Config->EMachine == EM_ARM)
175     return handleARMTlsRelocation<ELFT>(Type, Sym, C, Offset, Addend, Expr);
176   if (Config->EMachine == EM_MIPS)
177     return handleMipsTlsRelocation(Type, Sym, C, Offset, Addend, Expr);
178
179   if (isRelExprOneOf<R_TLSDESC, R_TLSDESC_PAGE, R_TLSDESC_CALL>(Expr) &&
180       Config->Shared) {
181     if (InX::Got->addDynTlsEntry(Sym)) {
182       uint64_t Off = InX::Got->getGlobalDynOffset(Sym);
183       InX::RelaDyn->addReloc(
184           {Target->TlsDescRel, InX::Got, Off, !Sym.IsPreemptible, &Sym, 0});
185     }
186     if (Expr != R_TLSDESC_CALL)
187       C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
188     return 1;
189   }
190
191   if (isRelExprOneOf<R_TLSLD_GOT, R_TLSLD_GOT_FROM_END, R_TLSLD_PC,
192                      R_TLSLD_HINT>(Expr)) {
193     // Local-Dynamic relocs can be relaxed to Local-Exec.
194     if (!Config->Shared) {
195       C.Relocations.push_back(
196           {Target->adjustRelaxExpr(Type, nullptr, R_RELAX_TLS_LD_TO_LE), Type,
197            Offset, Addend, &Sym});
198       return Target->TlsGdRelaxSkip;
199     }
200     if (Expr == R_TLSLD_HINT)
201       return 1;
202     if (InX::Got->addTlsIndex())
203       InX::RelaDyn->addReloc(Target->TlsModuleIndexRel, InX::Got,
204                              InX::Got->getTlsIndexOff(), nullptr);
205     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
206     return 1;
207   }
208
209   // Local-Dynamic relocs can be relaxed to Local-Exec.
210   if (Expr == R_ABS && !Config->Shared) {
211     C.Relocations.push_back(
212         {Target->adjustRelaxExpr(Type, nullptr, R_RELAX_TLS_LD_TO_LE), Type,
213          Offset, Addend, &Sym});
214     return 1;
215   }
216
217   // Local-Dynamic sequence where offset of tls variable relative to dynamic
218   // thread pointer is stored in the got.
219   if (Expr == R_TLSLD_GOT_OFF) {
220     // Local-Dynamic relocs can be relaxed to local-exec
221     if (!Config->Shared) {
222       C.Relocations.push_back({R_RELAX_TLS_LD_TO_LE, Type, Offset, Addend, &Sym});
223       return 1;
224     }
225     if (!Sym.isInGot()) {
226       InX::Got->addEntry(Sym);
227       uint64_t Off = Sym.getGotOffset();
228       InX::Got->Relocations.push_back({R_ABS, Target->TlsOffsetRel, Off, 0, &Sym});
229     }
230     C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
231     return 1;
232   }
233
234   if (isRelExprOneOf<R_TLSDESC, R_TLSDESC_PAGE, R_TLSDESC_CALL, R_TLSGD_GOT,
235                      R_TLSGD_GOT_FROM_END, R_TLSGD_PC>(Expr)) {
236     if (Config->Shared) {
237       if (InX::Got->addDynTlsEntry(Sym)) {
238         uint64_t Off = InX::Got->getGlobalDynOffset(Sym);
239         InX::RelaDyn->addReloc(Target->TlsModuleIndexRel, InX::Got, Off, &Sym);
240
241         // If the symbol is preemptible we need the dynamic linker to write
242         // the offset too.
243         uint64_t OffsetOff = Off + Config->Wordsize;
244         if (Sym.IsPreemptible)
245           InX::RelaDyn->addReloc(Target->TlsOffsetRel, InX::Got, OffsetOff,
246                                  &Sym);
247         else
248           InX::Got->Relocations.push_back(
249               {R_ABS, Target->TlsOffsetRel, OffsetOff, 0, &Sym});
250       }
251       C.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
252       return 1;
253     }
254
255     // Global-Dynamic relocs can be relaxed to Initial-Exec or Local-Exec
256     // depending on the symbol being locally defined or not.
257     if (Sym.IsPreemptible) {
258       C.Relocations.push_back(
259           {Target->adjustRelaxExpr(Type, nullptr, R_RELAX_TLS_GD_TO_IE), Type,
260            Offset, Addend, &Sym});
261       if (!Sym.isInGot()) {
262         InX::Got->addEntry(Sym);
263         InX::RelaDyn->addReloc(Target->TlsGotRel, InX::Got, Sym.getGotOffset(),
264                                &Sym);
265       }
266     } else {
267       C.Relocations.push_back(
268           {Target->adjustRelaxExpr(Type, nullptr, R_RELAX_TLS_GD_TO_LE), Type,
269            Offset, Addend, &Sym});
270     }
271     return Target->TlsGdRelaxSkip;
272   }
273
274   // Initial-Exec relocs can be relaxed to Local-Exec if the symbol is locally
275   // defined.
276   if (isRelExprOneOf<R_GOT, R_GOT_FROM_END, R_GOT_PC, R_GOT_PAGE_PC>(Expr) &&
277       !Config->Shared && !Sym.IsPreemptible) {
278     C.Relocations.push_back({R_RELAX_TLS_IE_TO_LE, Type, Offset, Addend, &Sym});
279     return 1;
280   }
281
282   if (Expr == R_TLSDESC_CALL)
283     return 1;
284   return 0;
285 }
286
287 static RelType getMipsPairType(RelType Type, bool IsLocal) {
288   switch (Type) {
289   case R_MIPS_HI16:
290     return R_MIPS_LO16;
291   case R_MIPS_GOT16:
292     // In case of global symbol, the R_MIPS_GOT16 relocation does not
293     // have a pair. Each global symbol has a unique entry in the GOT
294     // and a corresponding instruction with help of the R_MIPS_GOT16
295     // relocation loads an address of the symbol. In case of local
296     // symbol, the R_MIPS_GOT16 relocation creates a GOT entry to hold
297     // the high 16 bits of the symbol's value. A paired R_MIPS_LO16
298     // relocations handle low 16 bits of the address. That allows
299     // to allocate only one GOT entry for every 64 KBytes of local data.
300     return IsLocal ? R_MIPS_LO16 : R_MIPS_NONE;
301   case R_MICROMIPS_GOT16:
302     return IsLocal ? R_MICROMIPS_LO16 : R_MIPS_NONE;
303   case R_MIPS_PCHI16:
304     return R_MIPS_PCLO16;
305   case R_MICROMIPS_HI16:
306     return R_MICROMIPS_LO16;
307   default:
308     return R_MIPS_NONE;
309   }
310 }
311
312 // True if non-preemptable symbol always has the same value regardless of where
313 // the DSO is loaded.
314 static bool isAbsolute(const Symbol &Sym) {
315   if (Sym.isUndefWeak())
316     return true;
317   if (const auto *DR = dyn_cast<Defined>(&Sym))
318     return DR->Section == nullptr; // Absolute symbol.
319   return false;
320 }
321
322 static bool isAbsoluteValue(const Symbol &Sym) {
323   return isAbsolute(Sym) || Sym.isTls();
324 }
325
326 // Returns true if Expr refers a PLT entry.
327 static bool needsPlt(RelExpr Expr) {
328   return isRelExprOneOf<R_PLT_PC, R_PPC_CALL_PLT, R_PLT, R_PLT_PAGE_PC>(Expr);
329 }
330
331 // Returns true if Expr refers a GOT entry. Note that this function
332 // returns false for TLS variables even though they need GOT, because
333 // TLS variables uses GOT differently than the regular variables.
334 static bool needsGot(RelExpr Expr) {
335   return isRelExprOneOf<R_GOT, R_GOT_OFF, R_MIPS_GOT_LOCAL_PAGE, R_MIPS_GOT_OFF,
336                         R_MIPS_GOT_OFF32, R_GOT_PAGE_PC, R_GOT_PC,
337                         R_GOT_FROM_END>(Expr);
338 }
339
340 // True if this expression is of the form Sym - X, where X is a position in the
341 // file (PC, or GOT for example).
342 static bool isRelExpr(RelExpr Expr) {
343   return isRelExprOneOf<R_PC, R_GOTREL, R_GOTREL_FROM_END, R_MIPS_GOTREL,
344                         R_PPC_CALL, R_PPC_CALL_PLT, R_PAGE_PC,
345                         R_RELAX_GOT_PC>(Expr);
346 }
347
348 // Returns true if a given relocation can be computed at link-time.
349 //
350 // For instance, we know the offset from a relocation to its target at
351 // link-time if the relocation is PC-relative and refers a
352 // non-interposable function in the same executable. This function
353 // will return true for such relocation.
354 //
355 // If this function returns false, that means we need to emit a
356 // dynamic relocation so that the relocation will be fixed at load-time.
357 static bool isStaticLinkTimeConstant(RelExpr E, RelType Type, const Symbol &Sym,
358                                      InputSectionBase &S, uint64_t RelOff) {
359   // These expressions always compute a constant
360   if (isRelExprOneOf<
361           R_GOT_FROM_END, R_GOT_OFF, R_TLSLD_GOT_OFF, R_MIPS_GOT_LOCAL_PAGE,
362           R_MIPS_GOTREL, R_MIPS_GOT_OFF, R_MIPS_GOT_OFF32, R_MIPS_GOT_GP_PC,
363           R_MIPS_TLSGD, R_GOT_PAGE_PC, R_GOT_PC, R_GOTONLY_PC,
364           R_GOTONLY_PC_FROM_END, R_PLT_PC, R_TLSGD_GOT, R_TLSGD_GOT_FROM_END,
365           R_TLSGD_PC, R_PPC_CALL_PLT, R_TLSDESC_CALL, R_TLSDESC_PAGE, R_HINT,
366           R_TLSLD_HINT>(E))
367     return true;
368
369   // These never do, except if the entire file is position dependent or if
370   // only the low bits are used.
371   if (E == R_GOT || E == R_PLT || E == R_TLSDESC)
372     return Target->usesOnlyLowPageBits(Type) || !Config->Pic;
373
374   if (Sym.IsPreemptible)
375     return false;
376   if (!Config->Pic)
377     return true;
378
379   // The size of a non preemptible symbol is a constant.
380   if (E == R_SIZE)
381     return true;
382
383   // For the target and the relocation, we want to know if they are
384   // absolute or relative.
385   bool AbsVal = isAbsoluteValue(Sym);
386   bool RelE = isRelExpr(E);
387   if (AbsVal && !RelE)
388     return true;
389   if (!AbsVal && RelE)
390     return true;
391   if (!AbsVal && !RelE)
392     return Target->usesOnlyLowPageBits(Type);
393
394   // Relative relocation to an absolute value. This is normally unrepresentable,
395   // but if the relocation refers to a weak undefined symbol, we allow it to
396   // resolve to the image base. This is a little strange, but it allows us to
397   // link function calls to such symbols. Normally such a call will be guarded
398   // with a comparison, which will load a zero from the GOT.
399   // Another special case is MIPS _gp_disp symbol which represents offset
400   // between start of a function and '_gp' value and defined as absolute just
401   // to simplify the code.
402   assert(AbsVal && RelE);
403   if (Sym.isUndefWeak())
404     return true;
405
406   error("relocation " + toString(Type) + " cannot refer to absolute symbol: " +
407         toString(Sym) + getLocation(S, Sym, RelOff));
408   return true;
409 }
410
411 static RelExpr toPlt(RelExpr Expr) {
412   switch (Expr) {
413   case R_PPC_CALL:
414     return R_PPC_CALL_PLT;
415   case R_PC:
416     return R_PLT_PC;
417   case R_PAGE_PC:
418     return R_PLT_PAGE_PC;
419   case R_ABS:
420     return R_PLT;
421   default:
422     return Expr;
423   }
424 }
425
426 static RelExpr fromPlt(RelExpr Expr) {
427   // We decided not to use a plt. Optimize a reference to the plt to a
428   // reference to the symbol itself.
429   switch (Expr) {
430   case R_PLT_PC:
431     return R_PC;
432   case R_PPC_CALL_PLT:
433     return R_PPC_CALL;
434   case R_PLT:
435     return R_ABS;
436   default:
437     return Expr;
438   }
439 }
440
441 // Returns true if a given shared symbol is in a read-only segment in a DSO.
442 template <class ELFT> static bool isReadOnly(SharedSymbol &SS) {
443   typedef typename ELFT::Phdr Elf_Phdr;
444
445   // Determine if the symbol is read-only by scanning the DSO's program headers.
446   const SharedFile<ELFT> &File = SS.getFile<ELFT>();
447   for (const Elf_Phdr &Phdr : check(File.getObj().program_headers()))
448     if ((Phdr.p_type == ELF::PT_LOAD || Phdr.p_type == ELF::PT_GNU_RELRO) &&
449         !(Phdr.p_flags & ELF::PF_W) && SS.Value >= Phdr.p_vaddr &&
450         SS.Value < Phdr.p_vaddr + Phdr.p_memsz)
451       return true;
452   return false;
453 }
454
455 // Returns symbols at the same offset as a given symbol, including SS itself.
456 //
457 // If two or more symbols are at the same offset, and at least one of
458 // them are copied by a copy relocation, all of them need to be copied.
459 // Otherwise, they would refer to different places at runtime.
460 template <class ELFT>
461 static SmallSet<SharedSymbol *, 4> getSymbolsAt(SharedSymbol &SS) {
462   typedef typename ELFT::Sym Elf_Sym;
463
464   SharedFile<ELFT> &File = SS.getFile<ELFT>();
465
466   SmallSet<SharedSymbol *, 4> Ret;
467   for (const Elf_Sym &S : File.getGlobalELFSyms()) {
468     if (S.st_shndx == SHN_UNDEF || S.st_shndx == SHN_ABS ||
469         S.st_value != SS.Value)
470       continue;
471     StringRef Name = check(S.getName(File.getStringTable()));
472     Symbol *Sym = Symtab->find(Name);
473     if (auto *Alias = dyn_cast_or_null<SharedSymbol>(Sym))
474       Ret.insert(Alias);
475   }
476   return Ret;
477 }
478
479 // When a symbol is copy relocated or we create a canonical plt entry, it is
480 // effectively a defined symbol. In the case of copy relocation the symbol is
481 // in .bss and in the case of a canonical plt entry it is in .plt. This function
482 // replaces the existing symbol with a Defined pointing to the appropriate
483 // location.
484 static void replaceWithDefined(Symbol &Sym, SectionBase *Sec, uint64_t Value,
485                                uint64_t Size) {
486   Symbol Old = Sym;
487   replaceSymbol<Defined>(&Sym, Sym.File, Sym.getName(), Sym.Binding,
488                          Sym.StOther, Sym.Type, Value, Size, Sec);
489   Sym.PltIndex = Old.PltIndex;
490   Sym.GotIndex = Old.GotIndex;
491   Sym.VerdefIndex = Old.VerdefIndex;
492   Sym.IsPreemptible = true;
493   Sym.ExportDynamic = true;
494   Sym.IsUsedInRegularObj = true;
495   Sym.Used = true;
496 }
497
498 // Reserve space in .bss or .bss.rel.ro for copy relocation.
499 //
500 // The copy relocation is pretty much a hack. If you use a copy relocation
501 // in your program, not only the symbol name but the symbol's size, RW/RO
502 // bit and alignment become part of the ABI. In addition to that, if the
503 // symbol has aliases, the aliases become part of the ABI. That's subtle,
504 // but if you violate that implicit ABI, that can cause very counter-
505 // intuitive consequences.
506 //
507 // So, what is the copy relocation? It's for linking non-position
508 // independent code to DSOs. In an ideal world, all references to data
509 // exported by DSOs should go indirectly through GOT. But if object files
510 // are compiled as non-PIC, all data references are direct. There is no
511 // way for the linker to transform the code to use GOT, as machine
512 // instructions are already set in stone in object files. This is where
513 // the copy relocation takes a role.
514 //
515 // A copy relocation instructs the dynamic linker to copy data from a DSO
516 // to a specified address (which is usually in .bss) at load-time. If the
517 // static linker (that's us) finds a direct data reference to a DSO
518 // symbol, it creates a copy relocation, so that the symbol can be
519 // resolved as if it were in .bss rather than in a DSO.
520 //
521 // As you can see in this function, we create a copy relocation for the
522 // dynamic linker, and the relocation contains not only symbol name but
523 // various other informtion about the symbol. So, such attributes become a
524 // part of the ABI.
525 //
526 // Note for application developers: I can give you a piece of advice if
527 // you are writing a shared library. You probably should export only
528 // functions from your library. You shouldn't export variables.
529 //
530 // As an example what can happen when you export variables without knowing
531 // the semantics of copy relocations, assume that you have an exported
532 // variable of type T. It is an ABI-breaking change to add new members at
533 // end of T even though doing that doesn't change the layout of the
534 // existing members. That's because the space for the new members are not
535 // reserved in .bss unless you recompile the main program. That means they
536 // are likely to overlap with other data that happens to be laid out next
537 // to the variable in .bss. This kind of issue is sometimes very hard to
538 // debug. What's a solution? Instead of exporting a varaible V from a DSO,
539 // define an accessor getV().
540 template <class ELFT> static void addCopyRelSymbol(SharedSymbol &SS) {
541   // Copy relocation against zero-sized symbol doesn't make sense.
542   uint64_t SymSize = SS.getSize();
543   if (SymSize == 0 || SS.Alignment == 0)
544     fatal("cannot create a copy relocation for symbol " + toString(SS));
545
546   // See if this symbol is in a read-only segment. If so, preserve the symbol's
547   // memory protection by reserving space in the .bss.rel.ro section.
548   bool IsReadOnly = isReadOnly<ELFT>(SS);
549   BssSection *Sec = make<BssSection>(IsReadOnly ? ".bss.rel.ro" : ".bss",
550                                      SymSize, SS.Alignment);
551   if (IsReadOnly)
552     InX::BssRelRo->getParent()->addSection(Sec);
553   else
554     InX::Bss->getParent()->addSection(Sec);
555
556   // Look through the DSO's dynamic symbol table for aliases and create a
557   // dynamic symbol for each one. This causes the copy relocation to correctly
558   // interpose any aliases.
559   for (SharedSymbol *Sym : getSymbolsAt<ELFT>(SS))
560     replaceWithDefined(*Sym, Sec, 0, Sym->Size);
561
562   InX::RelaDyn->addReloc(Target->CopyRel, Sec, 0, &SS);
563 }
564
565 // MIPS has an odd notion of "paired" relocations to calculate addends.
566 // For example, if a relocation is of R_MIPS_HI16, there must be a
567 // R_MIPS_LO16 relocation after that, and an addend is calculated using
568 // the two relocations.
569 template <class ELFT, class RelTy>
570 static int64_t computeMipsAddend(const RelTy &Rel, const RelTy *End,
571                                  InputSectionBase &Sec, RelExpr Expr,
572                                  bool IsLocal) {
573   if (Expr == R_MIPS_GOTREL && IsLocal)
574     return Sec.getFile<ELFT>()->MipsGp0;
575
576   // The ABI says that the paired relocation is used only for REL.
577   // See p. 4-17 at ftp://www.linux-mips.org/pub/linux/mips/doc/ABI/mipsabi.pdf
578   if (RelTy::IsRela)
579     return 0;
580
581   RelType Type = Rel.getType(Config->IsMips64EL);
582   uint32_t PairTy = getMipsPairType(Type, IsLocal);
583   if (PairTy == R_MIPS_NONE)
584     return 0;
585
586   const uint8_t *Buf = Sec.Data.data();
587   uint32_t SymIndex = Rel.getSymbol(Config->IsMips64EL);
588
589   // To make things worse, paired relocations might not be contiguous in
590   // the relocation table, so we need to do linear search. *sigh*
591   for (const RelTy *RI = &Rel; RI != End; ++RI)
592     if (RI->getType(Config->IsMips64EL) == PairTy &&
593         RI->getSymbol(Config->IsMips64EL) == SymIndex)
594       return Target->getImplicitAddend(Buf + RI->r_offset, PairTy);
595
596   warn("can't find matching " + toString(PairTy) + " relocation for " +
597        toString(Type));
598   return 0;
599 }
600
601 // Returns an addend of a given relocation. If it is RELA, an addend
602 // is in a relocation itself. If it is REL, we need to read it from an
603 // input section.
604 template <class ELFT, class RelTy>
605 static int64_t computeAddend(const RelTy &Rel, const RelTy *End,
606                              InputSectionBase &Sec, RelExpr Expr,
607                              bool IsLocal) {
608   int64_t Addend;
609   RelType Type = Rel.getType(Config->IsMips64EL);
610
611   if (RelTy::IsRela) {
612     Addend = getAddend<ELFT>(Rel);
613   } else {
614     const uint8_t *Buf = Sec.Data.data();
615     Addend = Target->getImplicitAddend(Buf + Rel.r_offset, Type);
616   }
617
618   if (Config->EMachine == EM_PPC64 && Config->Pic && Type == R_PPC64_TOC)
619     Addend += getPPC64TocBase();
620   if (Config->EMachine == EM_MIPS)
621     Addend += computeMipsAddend<ELFT>(Rel, End, Sec, Expr, IsLocal);
622
623   return Addend;
624 }
625
626 // Report an undefined symbol if necessary.
627 // Returns true if this function printed out an error message.
628 static bool maybeReportUndefined(Symbol &Sym, InputSectionBase &Sec,
629                                  uint64_t Offset) {
630   if (Config->UnresolvedSymbols == UnresolvedPolicy::IgnoreAll)
631     return false;
632
633   if (Sym.isLocal() || !Sym.isUndefined() || Sym.isWeak())
634     return false;
635
636   bool CanBeExternal =
637       Sym.computeBinding() != STB_LOCAL && Sym.Visibility == STV_DEFAULT;
638   if (Config->UnresolvedSymbols == UnresolvedPolicy::Ignore && CanBeExternal)
639     return false;
640
641   std::string Msg =
642       "undefined symbol: " + toString(Sym) + "\n>>> referenced by ";
643
644   std::string Src = Sec.getSrcMsg(Sym, Offset);
645   if (!Src.empty())
646     Msg += Src + "\n>>>               ";
647   Msg += Sec.getObjMsg(Offset);
648
649   if ((Config->UnresolvedSymbols == UnresolvedPolicy::Warn && CanBeExternal) ||
650       Config->NoinhibitExec) {
651     warn(Msg);
652     return false;
653   }
654
655   error(Msg);
656   return true;
657 }
658
659 // MIPS N32 ABI treats series of successive relocations with the same offset
660 // as a single relocation. The similar approach used by N64 ABI, but this ABI
661 // packs all relocations into the single relocation record. Here we emulate
662 // this for the N32 ABI. Iterate over relocation with the same offset and put
663 // theirs types into the single bit-set.
664 template <class RelTy> static RelType getMipsN32RelType(RelTy *&Rel, RelTy *End) {
665   RelType Type = 0;
666   uint64_t Offset = Rel->r_offset;
667
668   int N = 0;
669   while (Rel != End && Rel->r_offset == Offset)
670     Type |= (Rel++)->getType(Config->IsMips64EL) << (8 * N++);
671   return Type;
672 }
673
674 // .eh_frame sections are mergeable input sections, so their input
675 // offsets are not linearly mapped to output section. For each input
676 // offset, we need to find a section piece containing the offset and
677 // add the piece's base address to the input offset to compute the
678 // output offset. That isn't cheap.
679 //
680 // This class is to speed up the offset computation. When we process
681 // relocations, we access offsets in the monotonically increasing
682 // order. So we can optimize for that access pattern.
683 //
684 // For sections other than .eh_frame, this class doesn't do anything.
685 namespace {
686 class OffsetGetter {
687 public:
688   explicit OffsetGetter(InputSectionBase &Sec) {
689     if (auto *Eh = dyn_cast<EhInputSection>(&Sec))
690       Pieces = Eh->Pieces;
691   }
692
693   // Translates offsets in input sections to offsets in output sections.
694   // Given offset must increase monotonically. We assume that Piece is
695   // sorted by InputOff.
696   uint64_t get(uint64_t Off) {
697     if (Pieces.empty())
698       return Off;
699
700     while (I != Pieces.size() && Pieces[I].InputOff + Pieces[I].Size <= Off)
701       ++I;
702     if (I == Pieces.size())
703       return Off;
704
705     // Pieces must be contiguous, so there must be no holes in between.
706     assert(Pieces[I].InputOff <= Off && "Relocation not in any piece");
707
708     // Offset -1 means that the piece is dead (i.e. garbage collected).
709     if (Pieces[I].OutputOff == -1)
710       return -1;
711     return Pieces[I].OutputOff + Off - Pieces[I].InputOff;
712   }
713
714 private:
715   ArrayRef<EhSectionPiece> Pieces;
716   size_t I = 0;
717 };
718 } // namespace
719
720 static void addRelativeReloc(InputSectionBase *IS, uint64_t OffsetInSec,
721                              Symbol *Sym, int64_t Addend, RelExpr Expr,
722                              RelType Type) {
723   // Add a relative relocation. If RelrDyn section is enabled, and the
724   // relocation offset is guaranteed to be even, add the relocation to
725   // the RelrDyn section, otherwise add it to the RelaDyn section.
726   // RelrDyn sections don't support odd offsets. Also, RelrDyn sections
727   // don't store the addend values, so we must write it to the relocated
728   // address.
729   if (InX::RelrDyn && IS->Alignment >= 2 && OffsetInSec % 2 == 0) {
730     IS->Relocations.push_back({Expr, Type, OffsetInSec, Addend, Sym});
731     InX::RelrDyn->Relocs.push_back({IS, OffsetInSec});
732     return;
733   }
734   InX::RelaDyn->addReloc(Target->RelativeRel, IS, OffsetInSec, Sym, Addend,
735                          Expr, Type);
736 }
737
738 template <class ELFT, class GotPltSection>
739 static void addPltEntry(PltSection *Plt, GotPltSection *GotPlt,
740                         RelocationBaseSection *Rel, RelType Type, Symbol &Sym) {
741   Plt->addEntry<ELFT>(Sym);
742   GotPlt->addEntry(Sym);
743   Rel->addReloc(
744       {Type, GotPlt, Sym.getGotPltOffset(), !Sym.IsPreemptible, &Sym, 0});
745 }
746
747 template <class ELFT> static void addGotEntry(Symbol &Sym) {
748   InX::Got->addEntry(Sym);
749
750   RelExpr Expr = Sym.isTls() ? R_TLS : R_ABS;
751   uint64_t Off = Sym.getGotOffset();
752
753   // If a GOT slot value can be calculated at link-time, which is now,
754   // we can just fill that out.
755   //
756   // (We don't actually write a value to a GOT slot right now, but we
757   // add a static relocation to a Relocations vector so that
758   // InputSection::relocate will do the work for us. We may be able
759   // to just write a value now, but it is a TODO.)
760   bool IsLinkTimeConstant =
761       !Sym.IsPreemptible && (!Config->Pic || isAbsolute(Sym));
762   if (IsLinkTimeConstant) {
763     InX::Got->Relocations.push_back({Expr, Target->GotRel, Off, 0, &Sym});
764     return;
765   }
766
767   // Otherwise, we emit a dynamic relocation to .rel[a].dyn so that
768   // the GOT slot will be fixed at load-time.
769   if (!Sym.isTls() && !Sym.IsPreemptible && Config->Pic && !isAbsolute(Sym)) {
770     addRelativeReloc(InX::Got, Off, &Sym, 0, R_ABS, Target->GotRel);
771     return;
772   }
773   InX::RelaDyn->addReloc(Sym.isTls() ? Target->TlsGotRel : Target->GotRel,
774                          InX::Got, Off, &Sym, 0,
775                          Sym.IsPreemptible ? R_ADDEND : R_ABS, Target->GotRel);
776 }
777
778 // Return true if we can define a symbol in the executable that
779 // contains the value/function of a symbol defined in a shared
780 // library.
781 static bool canDefineSymbolInExecutable(Symbol &Sym) {
782   // If the symbol has default visibility the symbol defined in the
783   // executable will preempt it.
784   // Note that we want the visibility of the shared symbol itself, not
785   // the visibility of the symbol in the output file we are producing. That is
786   // why we use Sym.StOther.
787   if ((Sym.StOther & 0x3) == STV_DEFAULT)
788     return true;
789
790   // If we are allowed to break address equality of functions, defining
791   // a plt entry will allow the program to call the function in the
792   // .so, but the .so and the executable will no agree on the address
793   // of the function. Similar logic for objects.
794   return ((Sym.isFunc() && Config->IgnoreFunctionAddressEquality) ||
795           (Sym.isObject() && Config->IgnoreDataAddressEquality));
796 }
797
798 // The reason we have to do this early scan is as follows
799 // * To mmap the output file, we need to know the size
800 // * For that, we need to know how many dynamic relocs we will have.
801 // It might be possible to avoid this by outputting the file with write:
802 // * Write the allocated output sections, computing addresses.
803 // * Apply relocations, recording which ones require a dynamic reloc.
804 // * Write the dynamic relocations.
805 // * Write the rest of the file.
806 // This would have some drawbacks. For example, we would only know if .rela.dyn
807 // is needed after applying relocations. If it is, it will go after rw and rx
808 // sections. Given that it is ro, we will need an extra PT_LOAD. This
809 // complicates things for the dynamic linker and means we would have to reserve
810 // space for the extra PT_LOAD even if we end up not using it.
811 template <class ELFT, class RelTy>
812 static void processRelocAux(InputSectionBase &Sec, RelExpr Expr, RelType Type,
813                             uint64_t Offset, Symbol &Sym, const RelTy &Rel,
814                             int64_t Addend) {
815   if (isStaticLinkTimeConstant(Expr, Type, Sym, Sec, Offset)) {
816     Sec.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
817     return;
818   }
819   bool CanWrite = (Sec.Flags & SHF_WRITE) || !Config->ZText;
820   if (CanWrite) {
821     // R_GOT refers to a position in the got, even if the symbol is preemptible.
822     bool IsPreemptibleValue = Sym.IsPreemptible && Expr != R_GOT;
823
824     if (!IsPreemptibleValue) {
825       addRelativeReloc(&Sec, Offset, &Sym, Addend, Expr, Type);
826       return;
827     } else if (RelType Rel = Target->getDynRel(Type)) {
828       InX::RelaDyn->addReloc(Rel, &Sec, Offset, &Sym, Addend, R_ADDEND, Type);
829
830       // MIPS ABI turns using of GOT and dynamic relocations inside out.
831       // While regular ABI uses dynamic relocations to fill up GOT entries
832       // MIPS ABI requires dynamic linker to fills up GOT entries using
833       // specially sorted dynamic symbol table. This affects even dynamic
834       // relocations against symbols which do not require GOT entries
835       // creation explicitly, i.e. do not have any GOT-relocations. So if
836       // a preemptible symbol has a dynamic relocation we anyway have
837       // to create a GOT entry for it.
838       // If a non-preemptible symbol has a dynamic relocation against it,
839       // dynamic linker takes it st_value, adds offset and writes down
840       // result of the dynamic relocation. In case of preemptible symbol
841       // dynamic linker performs symbol resolution, writes the symbol value
842       // to the GOT entry and reads the GOT entry when it needs to perform
843       // a dynamic relocation.
844       // ftp://www.linux-mips.org/pub/linux/mips/doc/ABI/mipsabi.pdf p.4-19
845       if (Config->EMachine == EM_MIPS)
846         InX::MipsGot->addEntry(*Sec.File, Sym, Addend, Expr);
847       return;
848     }
849   }
850
851   // If the relocation is to a weak undef, and we are producing
852   // executable, give up on it and produce a non preemptible 0.
853   if (!Config->Shared && Sym.isUndefWeak()) {
854     Sec.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
855     return;
856   }
857
858   if (!CanWrite && (Config->Pic && !isRelExpr(Expr))) {
859     error(
860         "can't create dynamic relocation " + toString(Type) + " against " +
861         (Sym.getName().empty() ? "local symbol" : "symbol: " + toString(Sym)) +
862         " in readonly segment; recompile object files with -fPIC "
863         "or pass '-Wl,-z,notext' to allow text relocations in the output" +
864         getLocation(Sec, Sym, Offset));
865     return;
866   }
867
868   // Copy relocations are only possible if we are creating an executable.
869   if (Config->Shared) {
870     errorOrWarn("relocation " + toString(Type) +
871                 " cannot be used against symbol " + toString(Sym) +
872                 "; recompile with -fPIC" + getLocation(Sec, Sym, Offset));
873     return;
874   }
875
876   // If the symbol is undefined we already reported any relevant errors.
877   if (Sym.isUndefined())
878     return;
879
880   if (!canDefineSymbolInExecutable(Sym)) {
881     error("cannot preempt symbol: " + toString(Sym) +
882           getLocation(Sec, Sym, Offset));
883     return;
884   }
885
886   if (Sym.isObject()) {
887     // Produce a copy relocation.
888     if (auto *SS = dyn_cast<SharedSymbol>(&Sym)) {
889       if (!Config->ZCopyreloc)
890         error("unresolvable relocation " + toString(Type) +
891               " against symbol '" + toString(*SS) +
892               "'; recompile with -fPIC or remove '-z nocopyreloc'" +
893               getLocation(Sec, Sym, Offset));
894       addCopyRelSymbol<ELFT>(*SS);
895     }
896     Sec.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
897     return;
898   }
899
900   if (Sym.isFunc()) {
901     // This handles a non PIC program call to function in a shared library. In
902     // an ideal world, we could just report an error saying the relocation can
903     // overflow at runtime. In the real world with glibc, crt1.o has a
904     // R_X86_64_PC32 pointing to libc.so.
905     //
906     // The general idea on how to handle such cases is to create a PLT entry and
907     // use that as the function value.
908     //
909     // For the static linking part, we just return a plt expr and everything
910     // else will use the PLT entry as the address.
911     //
912     // The remaining problem is making sure pointer equality still works. We
913     // need the help of the dynamic linker for that. We let it know that we have
914     // a direct reference to a so symbol by creating an undefined symbol with a
915     // non zero st_value. Seeing that, the dynamic linker resolves the symbol to
916     // the value of the symbol we created. This is true even for got entries, so
917     // pointer equality is maintained. To avoid an infinite loop, the only entry
918     // that points to the real function is a dedicated got entry used by the
919     // plt. That is identified by special relocation types (R_X86_64_JUMP_SLOT,
920     // R_386_JMP_SLOT, etc).
921
922     // For position independent executable on i386, the plt entry requires ebx
923     // to be set. This causes two problems:
924     // * If some code has a direct reference to a function, it was probably
925     //   compiled without -fPIE/-fPIC and doesn't maintain ebx.
926     // * If a library definition gets preempted to the executable, it will have
927     //   the wrong ebx value.
928     if (Config->Pie && Config->EMachine == EM_386)
929       errorOrWarn("symbol '" + toString(Sym) +
930                   "' cannot be preempted; recompile with -fPIE" +
931                   getLocation(Sec, Sym, Offset));
932     if (!Sym.isInPlt())
933       addPltEntry<ELFT>(InX::Plt, InX::GotPlt, InX::RelaPlt, Target->PltRel,
934                         Sym);
935     if (!Sym.isDefined())
936       replaceWithDefined(Sym, InX::Plt, Sym.getPltOffset(), 0);
937     Sym.NeedsPltAddr = true;
938     Sec.Relocations.push_back({Expr, Type, Offset, Addend, &Sym});
939     return;
940   }
941
942   errorOrWarn("symbol '" + toString(Sym) + "' has no type" +
943               getLocation(Sec, Sym, Offset));
944 }
945
946 template <class ELFT, class RelTy>
947 static void scanReloc(InputSectionBase &Sec, OffsetGetter &GetOffset, RelTy *&I,
948                       RelTy *End) {
949   const RelTy &Rel = *I;
950   Symbol &Sym = Sec.getFile<ELFT>()->getRelocTargetSym(Rel);
951   RelType Type;
952
953   // Deal with MIPS oddity.
954   if (Config->MipsN32Abi) {
955     Type = getMipsN32RelType(I, End);
956   } else {
957     Type = Rel.getType(Config->IsMips64EL);
958     ++I;
959   }
960
961   // Get an offset in an output section this relocation is applied to.
962   uint64_t Offset = GetOffset.get(Rel.r_offset);
963   if (Offset == uint64_t(-1))
964     return;
965
966   // Skip if the target symbol is an erroneous undefined symbol.
967   if (maybeReportUndefined(Sym, Sec, Rel.r_offset))
968     return;
969
970   const uint8_t *RelocatedAddr = Sec.Data.begin() + Rel.r_offset;
971   RelExpr Expr = Target->getRelExpr(Type, Sym, RelocatedAddr);
972
973   // Ignore "hint" relocations because they are only markers for relaxation.
974   if (isRelExprOneOf<R_HINT, R_NONE>(Expr))
975     return;
976
977   // Strenghten or relax relocations.
978   //
979   // GNU ifunc symbols must be accessed via PLT because their addresses
980   // are determined by runtime.
981   //
982   // On the other hand, if we know that a PLT entry will be resolved within
983   // the same ELF module, we can skip PLT access and directly jump to the
984   // destination function. For example, if we are linking a main exectuable,
985   // all dynamic symbols that can be resolved within the executable will
986   // actually be resolved that way at runtime, because the main exectuable
987   // is always at the beginning of a search list. We can leverage that fact.
988   if (Sym.isGnuIFunc())
989     Expr = toPlt(Expr);
990   else if (!Sym.IsPreemptible && Expr == R_GOT_PC && !isAbsoluteValue(Sym))
991     Expr = Target->adjustRelaxExpr(Type, RelocatedAddr, Expr);
992   else if (!Sym.IsPreemptible)
993     Expr = fromPlt(Expr);
994
995   // This relocation does not require got entry, but it is relative to got and
996   // needs it to be created. Here we request for that.
997   if (isRelExprOneOf<R_GOTONLY_PC, R_GOTONLY_PC_FROM_END, R_GOTREL,
998                      R_GOTREL_FROM_END, R_PPC_TOC>(Expr))
999     InX::Got->HasGotOffRel = true;
1000
1001   // Read an addend.
1002   int64_t Addend = computeAddend<ELFT>(Rel, End, Sec, Expr, Sym.isLocal());
1003
1004   // Process some TLS relocations, including relaxing TLS relocations.
1005   // Note that this function does not handle all TLS relocations.
1006   if (unsigned Processed =
1007           handleTlsRelocation<ELFT>(Type, Sym, Sec, Offset, Addend, Expr)) {
1008     I += (Processed - 1);
1009     return;
1010   }
1011
1012   // If a relocation needs PLT, we create PLT and GOTPLT slots for the symbol.
1013   if (needsPlt(Expr) && !Sym.isInPlt()) {
1014     if (Sym.isGnuIFunc() && !Sym.IsPreemptible)
1015       addPltEntry<ELFT>(InX::Iplt, InX::IgotPlt, InX::RelaIplt,
1016                         Target->IRelativeRel, Sym);
1017     else
1018       addPltEntry<ELFT>(InX::Plt, InX::GotPlt, InX::RelaPlt, Target->PltRel,
1019                         Sym);
1020   }
1021
1022   // Create a GOT slot if a relocation needs GOT.
1023   if (needsGot(Expr)) {
1024     if (Config->EMachine == EM_MIPS) {
1025       // MIPS ABI has special rules to process GOT entries and doesn't
1026       // require relocation entries for them. A special case is TLS
1027       // relocations. In that case dynamic loader applies dynamic
1028       // relocations to initialize TLS GOT entries.
1029       // See "Global Offset Table" in Chapter 5 in the following document
1030       // for detailed description:
1031       // ftp://www.linux-mips.org/pub/linux/mips/doc/ABI/mipsabi.pdf
1032       InX::MipsGot->addEntry(*Sec.File, Sym, Addend, Expr);
1033     } else if (!Sym.isInGot()) {
1034       addGotEntry<ELFT>(Sym);
1035     }
1036   }
1037
1038   processRelocAux<ELFT>(Sec, Expr, Type, Offset, Sym, Rel, Addend);
1039 }
1040
1041 template <class ELFT, class RelTy>
1042 static void scanRelocs(InputSectionBase &Sec, ArrayRef<RelTy> Rels) {
1043   OffsetGetter GetOffset(Sec);
1044
1045   // Not all relocations end up in Sec.Relocations, but a lot do.
1046   Sec.Relocations.reserve(Rels.size());
1047
1048   for (auto I = Rels.begin(), End = Rels.end(); I != End;)
1049     scanReloc<ELFT>(Sec, GetOffset, I, End);
1050 }
1051
1052 template <class ELFT> void elf::scanRelocations(InputSectionBase &S) {
1053   if (S.AreRelocsRela)
1054     scanRelocs<ELFT>(S, S.relas<ELFT>());
1055   else
1056     scanRelocs<ELFT>(S, S.rels<ELFT>());
1057 }
1058
1059 // Thunk Implementation
1060 //
1061 // Thunks (sometimes called stubs, veneers or branch islands) are small pieces
1062 // of code that the linker inserts inbetween a caller and a callee. The thunks
1063 // are added at link time rather than compile time as the decision on whether
1064 // a thunk is needed, such as the caller and callee being out of range, can only
1065 // be made at link time.
1066 //
1067 // It is straightforward to tell given the current state of the program when a
1068 // thunk is needed for a particular call. The more difficult part is that
1069 // the thunk needs to be placed in the program such that the caller can reach
1070 // the thunk and the thunk can reach the callee; furthermore, adding thunks to
1071 // the program alters addresses, which can mean more thunks etc.
1072 //
1073 // In lld we have a synthetic ThunkSection that can hold many Thunks.
1074 // The decision to have a ThunkSection act as a container means that we can
1075 // more easily handle the most common case of a single block of contiguous
1076 // Thunks by inserting just a single ThunkSection.
1077 //
1078 // The implementation of Thunks in lld is split across these areas
1079 // Relocations.cpp : Framework for creating and placing thunks
1080 // Thunks.cpp : The code generated for each supported thunk
1081 // Target.cpp : Target specific hooks that the framework uses to decide when
1082 //              a thunk is used
1083 // Synthetic.cpp : Implementation of ThunkSection
1084 // Writer.cpp : Iteratively call framework until no more Thunks added
1085 //
1086 // Thunk placement requirements:
1087 // Mips LA25 thunks. These must be placed immediately before the callee section
1088 // We can assume that the caller is in range of the Thunk. These are modelled
1089 // by Thunks that return the section they must precede with
1090 // getTargetInputSection().
1091 //
1092 // ARM interworking and range extension thunks. These thunks must be placed
1093 // within range of the caller. All implemented ARM thunks can always reach the
1094 // callee as they use an indirect jump via a register that has no range
1095 // restrictions.
1096 //
1097 // Thunk placement algorithm:
1098 // For Mips LA25 ThunkSections; the placement is explicit, it has to be before
1099 // getTargetInputSection().
1100 //
1101 // For thunks that must be placed within range of the caller there are many
1102 // possible choices given that the maximum range from the caller is usually
1103 // much larger than the average InputSection size. Desirable properties include:
1104 // - Maximize reuse of thunks by multiple callers
1105 // - Minimize number of ThunkSections to simplify insertion
1106 // - Handle impact of already added Thunks on addresses
1107 // - Simple to understand and implement
1108 //
1109 // In lld for the first pass, we pre-create one or more ThunkSections per
1110 // InputSectionDescription at Target specific intervals. A ThunkSection is
1111 // placed so that the estimated end of the ThunkSection is within range of the
1112 // start of the InputSectionDescription or the previous ThunkSection. For
1113 // example:
1114 // InputSectionDescription
1115 // Section 0
1116 // ...
1117 // Section N
1118 // ThunkSection 0
1119 // Section N + 1
1120 // ...
1121 // Section N + K
1122 // Thunk Section 1
1123 //
1124 // The intention is that we can add a Thunk to a ThunkSection that is well
1125 // spaced enough to service a number of callers without having to do a lot
1126 // of work. An important principle is that it is not an error if a Thunk cannot
1127 // be placed in a pre-created ThunkSection; when this happens we create a new
1128 // ThunkSection placed next to the caller. This allows us to handle the vast
1129 // majority of thunks simply, but also handle rare cases where the branch range
1130 // is smaller than the target specific spacing.
1131 //
1132 // The algorithm is expected to create all the thunks that are needed in a
1133 // single pass, with a small number of programs needing a second pass due to
1134 // the insertion of thunks in the first pass increasing the offset between
1135 // callers and callees that were only just in range.
1136 //
1137 // A consequence of allowing new ThunkSections to be created outside of the
1138 // pre-created ThunkSections is that in rare cases calls to Thunks that were in
1139 // range in pass K, are out of range in some pass > K due to the insertion of
1140 // more Thunks in between the caller and callee. When this happens we retarget
1141 // the relocation back to the original target and create another Thunk.
1142
1143 // Remove ThunkSections that are empty, this should only be the initial set
1144 // precreated on pass 0.
1145
1146 // Insert the Thunks for OutputSection OS into their designated place
1147 // in the Sections vector, and recalculate the InputSection output section
1148 // offsets.
1149 // This may invalidate any output section offsets stored outside of InputSection
1150 void ThunkCreator::mergeThunks(ArrayRef<OutputSection *> OutputSections) {
1151   forEachInputSectionDescription(
1152       OutputSections, [&](OutputSection *OS, InputSectionDescription *ISD) {
1153         if (ISD->ThunkSections.empty())
1154           return;
1155
1156         // Remove any zero sized precreated Thunks.
1157         llvm::erase_if(ISD->ThunkSections,
1158                        [](const std::pair<ThunkSection *, uint32_t> &TS) {
1159                          return TS.first->getSize() == 0;
1160                        });
1161         // ISD->ThunkSections contains all created ThunkSections, including
1162         // those inserted in previous passes. Extract the Thunks created this
1163         // pass and order them in ascending OutSecOff.
1164         std::vector<ThunkSection *> NewThunks;
1165         for (const std::pair<ThunkSection *, uint32_t> TS : ISD->ThunkSections)
1166           if (TS.second == Pass)
1167             NewThunks.push_back(TS.first);
1168         std::stable_sort(NewThunks.begin(), NewThunks.end(),
1169                          [](const ThunkSection *A, const ThunkSection *B) {
1170                            return A->OutSecOff < B->OutSecOff;
1171                          });
1172
1173         // Merge sorted vectors of Thunks and InputSections by OutSecOff
1174         std::vector<InputSection *> Tmp;
1175         Tmp.reserve(ISD->Sections.size() + NewThunks.size());
1176         auto MergeCmp = [](const InputSection *A, const InputSection *B) {
1177           // std::merge requires a strict weak ordering.
1178           if (A->OutSecOff < B->OutSecOff)
1179             return true;
1180           if (A->OutSecOff == B->OutSecOff) {
1181             auto *TA = dyn_cast<ThunkSection>(A);
1182             auto *TB = dyn_cast<ThunkSection>(B);
1183             // Check if Thunk is immediately before any specific Target
1184             // InputSection for example Mips LA25 Thunks.
1185             if (TA && TA->getTargetInputSection() == B)
1186               return true;
1187             if (TA && !TB && !TA->getTargetInputSection())
1188               // Place Thunk Sections without specific targets before
1189               // non-Thunk Sections.
1190               return true;
1191           }
1192           return false;
1193         };
1194         std::merge(ISD->Sections.begin(), ISD->Sections.end(),
1195                    NewThunks.begin(), NewThunks.end(), std::back_inserter(Tmp),
1196                    MergeCmp);
1197         ISD->Sections = std::move(Tmp);
1198       });
1199 }
1200
1201 // Find or create a ThunkSection within the InputSectionDescription (ISD) that
1202 // is in range of Src. An ISD maps to a range of InputSections described by a
1203 // linker script section pattern such as { .text .text.* }.
1204 ThunkSection *ThunkCreator::getISDThunkSec(OutputSection *OS, InputSection *IS,
1205                                            InputSectionDescription *ISD,
1206                                            uint32_t Type, uint64_t Src) {
1207   for (std::pair<ThunkSection *, uint32_t> TP : ISD->ThunkSections) {
1208     ThunkSection *TS = TP.first;
1209     uint64_t TSBase = OS->Addr + TS->OutSecOff;
1210     uint64_t TSLimit = TSBase + TS->getSize();
1211     if (Target->inBranchRange(Type, Src, (Src > TSLimit) ? TSBase : TSLimit))
1212       return TS;
1213   }
1214
1215   // No suitable ThunkSection exists. This can happen when there is a branch
1216   // with lower range than the ThunkSection spacing or when there are too
1217   // many Thunks. Create a new ThunkSection as close to the InputSection as
1218   // possible. Error if InputSection is so large we cannot place ThunkSection
1219   // anywhere in Range.
1220   uint64_t ThunkSecOff = IS->OutSecOff;
1221   if (!Target->inBranchRange(Type, Src, OS->Addr + ThunkSecOff)) {
1222     ThunkSecOff = IS->OutSecOff + IS->getSize();
1223     if (!Target->inBranchRange(Type, Src, OS->Addr + ThunkSecOff))
1224       fatal("InputSection too large for range extension thunk " +
1225             IS->getObjMsg(Src - (OS->Addr + IS->OutSecOff)));
1226   }
1227   return addThunkSection(OS, ISD, ThunkSecOff);
1228 }
1229
1230 // Add a Thunk that needs to be placed in a ThunkSection that immediately
1231 // precedes its Target.
1232 ThunkSection *ThunkCreator::getISThunkSec(InputSection *IS) {
1233   ThunkSection *TS = ThunkedSections.lookup(IS);
1234   if (TS)
1235     return TS;
1236
1237   // Find InputSectionRange within Target Output Section (TOS) that the
1238   // InputSection (IS) that we need to precede is in.
1239   OutputSection *TOS = IS->getParent();
1240   for (BaseCommand *BC : TOS->SectionCommands)
1241     if (auto *ISD = dyn_cast<InputSectionDescription>(BC)) {
1242       if (ISD->Sections.empty())
1243         continue;
1244       InputSection *first = ISD->Sections.front();
1245       InputSection *last = ISD->Sections.back();
1246       if (IS->OutSecOff >= first->OutSecOff &&
1247           IS->OutSecOff <= last->OutSecOff) {
1248         TS = addThunkSection(TOS, ISD, IS->OutSecOff);
1249         ThunkedSections[IS] = TS;
1250         break;
1251       }
1252     }
1253   return TS;
1254 }
1255
1256 // Create one or more ThunkSections per OS that can be used to place Thunks.
1257 // We attempt to place the ThunkSections using the following desirable
1258 // properties:
1259 // - Within range of the maximum number of callers
1260 // - Minimise the number of ThunkSections
1261 //
1262 // We follow a simple but conservative heuristic to place ThunkSections at
1263 // offsets that are multiples of a Target specific branch range.
1264 // For an InputSectionDescription that is smaller than the range, a single
1265 // ThunkSection at the end of the range will do.
1266 //
1267 // For an InputSectionDescription that is more than twice the size of the range,
1268 // we place the last ThunkSection at range bytes from the end of the
1269 // InputSectionDescription in order to increase the likelihood that the
1270 // distance from a thunk to its target will be sufficiently small to
1271 // allow for the creation of a short thunk.
1272 void ThunkCreator::createInitialThunkSections(
1273     ArrayRef<OutputSection *> OutputSections) {
1274   forEachInputSectionDescription(
1275       OutputSections, [&](OutputSection *OS, InputSectionDescription *ISD) {
1276         if (ISD->Sections.empty())
1277           return;
1278         uint32_t ISDBegin = ISD->Sections.front()->OutSecOff;
1279         uint32_t ISDEnd =
1280             ISD->Sections.back()->OutSecOff + ISD->Sections.back()->getSize();
1281         uint32_t LastThunkLowerBound = -1;
1282         if (ISDEnd - ISDBegin > Target->ThunkSectionSpacing * 2)
1283           LastThunkLowerBound = ISDEnd - Target->ThunkSectionSpacing;
1284
1285         uint32_t ISLimit;
1286         uint32_t PrevISLimit = ISDBegin;
1287         uint32_t ThunkUpperBound = ISDBegin + Target->ThunkSectionSpacing;
1288
1289         for (const InputSection *IS : ISD->Sections) {
1290           ISLimit = IS->OutSecOff + IS->getSize();
1291           if (ISLimit > ThunkUpperBound) {
1292             addThunkSection(OS, ISD, PrevISLimit);
1293             ThunkUpperBound = PrevISLimit + Target->ThunkSectionSpacing;
1294           }
1295           if (ISLimit > LastThunkLowerBound)
1296             break;
1297           PrevISLimit = ISLimit;
1298         }
1299         addThunkSection(OS, ISD, ISLimit);
1300       });
1301 }
1302
1303 ThunkSection *ThunkCreator::addThunkSection(OutputSection *OS,
1304                                             InputSectionDescription *ISD,
1305                                             uint64_t Off) {
1306   auto *TS = make<ThunkSection>(OS, Off);
1307   ISD->ThunkSections.push_back(std::make_pair(TS, Pass));
1308   return TS;
1309 }
1310
1311 std::pair<Thunk *, bool> ThunkCreator::getThunk(Symbol &Sym, RelType Type,
1312                                                 uint64_t Src) {
1313   std::vector<Thunk *> *ThunkVec = nullptr;
1314   // We use (section, offset) pair to find the thunk position if possible so
1315   // that we create only one thunk for aliased symbols or ICFed sections.
1316   if (auto *D = dyn_cast<Defined>(&Sym))
1317     if (!D->isInPlt() && D->Section)
1318       ThunkVec = &ThunkedSymbolsBySection[{D->Section->Repl, D->Value}];
1319   if (!ThunkVec)
1320     ThunkVec = &ThunkedSymbols[&Sym];
1321   // Check existing Thunks for Sym to see if they can be reused
1322   for (Thunk *ET : *ThunkVec)
1323     if (ET->isCompatibleWith(Type) &&
1324         Target->inBranchRange(Type, Src, ET->getThunkTargetSym()->getVA()))
1325       return std::make_pair(ET, false);
1326   // No existing compatible Thunk in range, create a new one
1327   Thunk *T = addThunk(Type, Sym);
1328   ThunkVec->push_back(T);
1329   return std::make_pair(T, true);
1330 }
1331
1332 // Call Fn on every executable InputSection accessed via the linker script
1333 // InputSectionDescription::Sections.
1334 void ThunkCreator::forEachInputSectionDescription(
1335     ArrayRef<OutputSection *> OutputSections,
1336     llvm::function_ref<void(OutputSection *, InputSectionDescription *)> Fn) {
1337   for (OutputSection *OS : OutputSections) {
1338     if (!(OS->Flags & SHF_ALLOC) || !(OS->Flags & SHF_EXECINSTR))
1339       continue;
1340     for (BaseCommand *BC : OS->SectionCommands)
1341       if (auto *ISD = dyn_cast<InputSectionDescription>(BC))
1342         Fn(OS, ISD);
1343   }
1344 }
1345
1346 // Return true if the relocation target is an in range Thunk.
1347 // Return false if the relocation is not to a Thunk. If the relocation target
1348 // was originally to a Thunk, but is no longer in range we revert the
1349 // relocation back to its original non-Thunk target.
1350 bool ThunkCreator::normalizeExistingThunk(Relocation &Rel, uint64_t Src) {
1351   if (Thunk *ET = Thunks.lookup(Rel.Sym)) {
1352     if (Target->inBranchRange(Rel.Type, Src, Rel.Sym->getVA()))
1353       return true;
1354     Rel.Sym = &ET->Destination;
1355     if (Rel.Sym->isInPlt())
1356       Rel.Expr = toPlt(Rel.Expr);
1357   }
1358   return false;
1359 }
1360
1361 // Process all relocations from the InputSections that have been assigned
1362 // to InputSectionDescriptions and redirect through Thunks if needed. The
1363 // function should be called iteratively until it returns false.
1364 //
1365 // PreConditions:
1366 // All InputSections that may need a Thunk are reachable from
1367 // OutputSectionCommands.
1368 //
1369 // All OutputSections have an address and all InputSections have an offset
1370 // within the OutputSection.
1371 //
1372 // The offsets between caller (relocation place) and callee
1373 // (relocation target) will not be modified outside of createThunks().
1374 //
1375 // PostConditions:
1376 // If return value is true then ThunkSections have been inserted into
1377 // OutputSections. All relocations that needed a Thunk based on the information
1378 // available to createThunks() on entry have been redirected to a Thunk. Note
1379 // that adding Thunks changes offsets between caller and callee so more Thunks
1380 // may be required.
1381 //
1382 // If return value is false then no more Thunks are needed, and createThunks has
1383 // made no changes. If the target requires range extension thunks, currently
1384 // ARM, then any future change in offset between caller and callee risks a
1385 // relocation out of range error.
1386 bool ThunkCreator::createThunks(ArrayRef<OutputSection *> OutputSections) {
1387   bool AddressesChanged = false;
1388   if (Pass == 0 && Target->ThunkSectionSpacing)
1389     createInitialThunkSections(OutputSections);
1390   else if (Pass == 10)
1391     // With Thunk Size much smaller than branch range we expect to
1392     // converge quickly; if we get to 10 something has gone wrong.
1393     fatal("thunk creation not converged");
1394
1395   // Create all the Thunks and insert them into synthetic ThunkSections. The
1396   // ThunkSections are later inserted back into InputSectionDescriptions.
1397   // We separate the creation of ThunkSections from the insertion of the
1398   // ThunkSections as ThunkSections are not always inserted into the same
1399   // InputSectionDescription as the caller.
1400   forEachInputSectionDescription(
1401       OutputSections, [&](OutputSection *OS, InputSectionDescription *ISD) {
1402         for (InputSection *IS : ISD->Sections)
1403           for (Relocation &Rel : IS->Relocations) {
1404             uint64_t Src = IS->getVA(Rel.Offset);
1405
1406             // If we are a relocation to an existing Thunk, check if it is
1407             // still in range. If not then Rel will be altered to point to its
1408             // original target so another Thunk can be generated.
1409             if (Pass > 0 && normalizeExistingThunk(Rel, Src))
1410               continue;
1411
1412             if (!Target->needsThunk(Rel.Expr, Rel.Type, IS->File, Src,
1413                                     *Rel.Sym))
1414               continue;
1415             Thunk *T;
1416             bool IsNew;
1417             std::tie(T, IsNew) = getThunk(*Rel.Sym, Rel.Type, Src);
1418             if (IsNew) {
1419               // Find or create a ThunkSection for the new Thunk
1420               ThunkSection *TS;
1421               if (auto *TIS = T->getTargetInputSection())
1422                 TS = getISThunkSec(TIS);
1423               else
1424                 TS = getISDThunkSec(OS, IS, ISD, Rel.Type, Src);
1425               TS->addThunk(T);
1426               Thunks[T->getThunkTargetSym()] = T;
1427             }
1428             // Redirect relocation to Thunk, we never go via the PLT to a Thunk
1429             Rel.Sym = T->getThunkTargetSym();
1430             Rel.Expr = fromPlt(Rel.Expr);
1431           }
1432         for (auto &P : ISD->ThunkSections)
1433           AddressesChanged |= P.first->assignOffsets();
1434       });
1435   for (auto &P : ThunkedSections)
1436     AddressesChanged |= P.second->assignOffsets();
1437
1438   // Merge all created synthetic ThunkSections back into OutputSection
1439   mergeThunks(OutputSections);
1440   ++Pass;
1441   return AddressesChanged;
1442 }
1443
1444 template void elf::scanRelocations<ELF32LE>(InputSectionBase &);
1445 template void elf::scanRelocations<ELF32BE>(InputSectionBase &);
1446 template void elf::scanRelocations<ELF64LE>(InputSectionBase &);
1447 template void elf::scanRelocations<ELF64BE>(InputSectionBase &);