为什么GCC -mcmodel = large在使用-no-pie标志而不添加-fPIC的代码中向函数调用添加偏移量？

Question

我尝试使用gcc编译非PIC代码，并且我注意到GCC生成的汇编代码不使用纯函数地址来调用，而是在其上添加了一个怪异的偏移量。我将GCC 9.3.0用作带有以下代码的gcc test.c -o test-nopic -mcmodel=large -no-pie -O0。

#include <stdio.h>

int var1 = 1;
int var2 = 2;

void putstr(int* ptr) {
    printf("val: %d\n", *ptr);
}

int main() {
    putstr(&var1);
    putstr(&var2);
}

这里列出的是main()中的代码objdump -wdrC -M intel test-nopic。

000000000040117e <main>:
  40117e:       55                      push   rbp
  40117f:       48 89 e5                mov    rbp,rsp
  401182:       53                      push   rbx
  401183:       48 83 ec 08             sub    rsp,0x8
  401187:       48 8d 1d f9 ff ff ff    lea    rbx,[rip+0xfffffffffffffff9]        # 401187 <main+0x9>
  40118e:       49 bb 79 2e 00 00 00 00 00 00   movabs r11,0x2e79
  401198:       4c 01 db                add    rbx,r11
  40119b:       48 b8 30 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x30
  4011a5:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011a9:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011b3:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011b7:       ff d0                   call   rax
  4011b9:       48 b8 34 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x34
  4011c3:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011c7:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011d1:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011d5:       ff d0                   call   rax
  4011d7:       b8 00 00 00 00          mov    eax,0x0
  4011dc:       48 83 c4 08             add    rsp,0x8
  4011e0:       5b                      pop    rbx
  4011e1:       5d                      pop    rbp
  4011e2:       c3                      ret

pustr（int *）的地址是0x401126。 readelf -l test-nopic显示文件类型为EXEC和以下标头：

  Type           Offset             VirtAddr           PhysAddr
                 FileSiz            MemSiz              Flags  Align
  PHDR           0x0000000000000040 0x0000000000400040 0x0000000000400040
                 0x0000000000000268 0x0000000000000268  R      0x8
  INTERP         0x00000000000002a8 0x00000000004002a8 0x00000000004002a8
                 0x000000000000001c 0x000000000000001c  R      0x1
      [Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]
  LOAD           0x0000000000000000 0x0000000000400000 0x0000000000400000
                 0x00000000000004d8 0x00000000000004d8  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000001000 0x0000000000401000 0x0000000000401000
                 0x0000000000000275 0x0000000000000275  R E    0x1000
  LOAD           0x0000000000002000 0x0000000000402000 0x0000000000402000
                 0x0000000000000168 0x0000000000000168  R      0x1000
  LOAD           0x0000000000002e00 0x0000000000403e00 0x0000000000403e00
                 0x0000000000000238 0x0000000000000240  RW     0x1000
  DYNAMIC        0x0000000000002e10 0x0000000000403e10 0x0000000000403e10
                 0x00000000000001d0 0x00000000000001d0  RW     0x8
  NOTE           0x00000000000002c4 0x00000000004002c4 0x00000000004002c4
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_EH_FRAME   0x0000000000002010 0x0000000000402010 0x0000000000402010
                 0x0000000000000044 0x0000000000000044  R      0x4
  GNU_STACK      0x0000000000000000 0x0000000000000000 0x0000000000000000
                 0x0000000000000000 0x0000000000000000  RW     0x10
  GNU_RELRO      0x0000000000002e00 0x0000000000403e00 0x0000000000403e00
                 0x0000000000000200 0x0000000000000200  R      0x1

1. 为什么gcc在通话前不只使用movabs rax, 0x401126？
2. 为什么在4011a9使用的地址（？）充满了所有这些0xFF？
3. 为什么gcc使用rip寄存器加上怪异的偏移量，然后使用魔术值0x2e79，它不适合上面列出的任何段。

Answer 1

通过@Jester的评论，我解开了谜团。我还必须使用-fnopic标志进行编译，以获得真正的非PIC代码。问题中的代码（与-mcmodel=large -no-pie -O0标志一起编译）使用对从rax寄存器获取的绝对地址的调用。该地址是使用以下代码从rip寄存器计算得出的。

  401187:       48 8d 1d f9 ff ff ff    lea    rbx,[rip+0xfffffffffffffff9]        # 401187 <main+0x9>
  40118e:       49 bb 79 2e 00 00 00 00 00 00   movabs r11,0x2e79
  401198:       4c 01 db                add    rbx,r11
  40119b:       48 b8 30 00 00 00 00 00 00 00   movabs rax,0x30
  4011a5:       48 8d 3c 03             lea    rdi,[rbx+rax*1]
  4011a9:       48 b8 26 d1 ff ff ff ff ff ff   movabs rax,0xffffffffffffd126
  4011b3:       48 8d 04 03             lea    rax,[rbx+rax*1]
  4011b7:       ff d0                   call   rax

我计算了存储在rip中的地址，它看起来指向0x40118e。它用于计算函数及其参数的地址（var1的地址存储在rdi寄存器中，它指向RW LOAD段）。使用-fno-pic标志，函数调用看起来像我想要的。

  40115c:       48 bf 30 40 40 00 00 00 00 00   movabs rdi,0x404030
  401166:       48 b8 26 11 40 00 00 00 00 00   movabs rax,0x401126
  401170:       ff d0                   call   rax

没有-mcmodel=large标志（-no-pie -fno-pic -O0），它看起来与众不同。这是相对版本的call。

  401150:       bf 30 40 40 00          mov    edi,0x404030
  401155:       e8 cc ff ff ff          call   401126 <putstr>

这里是一个只有-pie的代码（在我的配置中默认启用）。>

    1165:       48 8d 3d c4 2e 00 00    lea    rdi,[rip+0x2ec4]        # 4030 <var1>
    116c:       e8 c8 ff ff ff          call   1139 <putstr>
并且添加-fpic标志之后。

    1165:       48 8d 05 c4 2e 00 00    lea    rax,[rip+0x2ec4]        # 4030 <var1>
    116c:       48 89 c7                mov    rdi,rax
    116f:       e8 c5 ff ff ff          call   1139 <putstr>