【C++】-fPIC 编译参数有啥用？

1.什么是PIC?

2.示例

3.优势

4.总结

1.什么是PIC?

在 GCC 编译器选项中，-f 是一个前缀，用于指示这是一个与编译器特性 (feature) 相关的选项。-f 后面跟着的标识符通常是英文单词的缩写，用来描述这个选项所涉及的具体特性。PIC 全称 Position-Independent Code，即位置无关代码。所以 -fPIC 就表示编译器编译时启用位置无关代码的特性。

当使用-fPIC编译参数时，编译器会生成不依赖于其在内存中具体位置的代码。这意味着代码中的跳转和数据引用不会使用硬编码的内存地址，而是采用相对地址或间接引用。

那么你就要问了，什么是位置无关代码呢？

位置无关代码是指编译后的代码不会依赖于它在内存中的具体位置。

位置无关代码的特点：

不依赖于绝对地址：位置无关代码不使用硬编码的内存地址来访问数据或函数。相反，它使用相对地址、指针或函数指针来间接引用数据或函数。
可重定位：由于不依赖于绝对地址，位置无关代码可以在内存中的任何位置加载和执行，而无需进行额外的重定位操作。
共享性：位置无关代码使得多个进程可以共享同一个代码段，因为代码的执行不依赖于其加载的具体地址。

那么你又要问了，内存中都有什么位置呢？每个位置都包含什么东西呢？

C++ 编译后的代码在内存中都有具体的位置，这取决于代码的类型和编译方式。在程序运行时，内存被划分为五个主要区域：代码段 + 数据段 + BSS段 + 堆区 + 栈区。见下图所示：

当使用 -fPIC 编译选项时，编译器会生成位置无关的代码。也就是说，代码中的跳转和数据引用不会使用硬编码具体的内存地址，而是使用相对地址或间接引用。

动态链接库在加载时，其实际地址由动态链接器决定，且每次加载的地址可能都不同。因此，库中的代码和数据不能依赖于固定的地址。使用-fPIC编译动态链接库可以确保库中的代码和数据引用都是位置无关的，从而确保库在内存中的任意位置加载时都能正常工作。-fPIC编译参数通常与-shared编译选项一起使用，用于创建动态共享库（*.so文件）。此外，在某些平台（如x86_64）上，构建动态库时必须使用-fPIC，否则代码可能无法正确链接或加载。

2.示例

假设我们有一个简单的C函数，它打印一个全局变量的值：

// global.c  
int global_var = 42;  
  
// function.c  
#include <stdio.h>  
  
extern int global_var;  
  
void print_global_var() {  
    printf("Global variable value: %d\n", global_var);  
}

如果我们直接编译并链接这些代码为一个可执行文件，那么print_global_var函数中的global_var引用将是一个绝对地址。但是，如果我们想将function.c编译为一个动态链接库，并且希望这个库是位置无关的，我们就需要使用-fPIC编译选项。

使用-fPIC编译后，编译器会生成这样的代码，其中global_var的引用不再是一个硬编码的地址，而是一个相对于某个基准点（如全局偏移表GOT或程序计数器PC）的偏移量。这样，无论动态链接库被加载到内存的哪个位置，print_global_var函数都能正确地找到global_var的值。

在实际编译过程中，我们可能会这样做：

gcc -fPIC -c function.c -o function.o   # 编译为位置无关的目标文件  
gcc -shared -o libfunction.so function.o # 链接为目标共享库

在这个例子中，function.o是一个位置无关的目标文件，而libfunction.so是一个位置无关的动态链接库。当这个库被加载到某个进程的地址空间时，无论它被加载到哪里，print_global_var函数都能正确地访问global_var变量。

需要注意的是，虽然上面的例子涉及到了全局变量的访问，但位置无关代码的概念并不仅限于全局变量的访问。它还包括函数调用的地址解析、代码段的重定位等方面。在实际应用中，编译器和链接器会处理这些细节，以确保生成的位置无关代码能够在不同的内存地址上正确执行。

3.优势

使用-fPIC编译参数后，编译器会将生成的目标文件中需要访问绝对地址的指令都转换为相对地址。这样，无论目标文件被加载到内存的哪个位置，都能正确地执行。

提高程序的加载速度：位置无关代码减少了在加载时需要修改的代码量（重定位），从而提高了程序的加载速度。
提高共享库的效率：使得共享库在多个程序中共享时更加高效，因为不需要为每个使用库的程序生成一份拷贝。
增强程序的安全性：在某些情况下，使用位置无关代码可以增强程序的安全性，例如防止攻击者利用地址依赖的漏洞进行攻击。

4.总结

-fPIC只适用于编译可重定位的目标文件（.o文件），而-fPIE则用于生成位置无关的可执行文件（PIE，Position-Independent Executable）。
在某些情况下，如果代码中未使用全局变量或静态变量，即使不使用-fPIC编译参数也可能能够生成可正常工作的动态链接库。然而，这并不意味着不使用-fPIC是安全的或推荐的做法。为了确保代码的健壮性和可移植性，建议在编译动态链接库时始终使用-fPIC编译参数。

综上所述，-fPIC编译参数在GCC编译器中用于生成位置无关代码，对于创建动态链接库至关重要。它能够提高程序的加载速度和共享库的效率，并增强程序的安全性。因此，在编译动态链接库时，建议始终使用-fPIC编译参数。