[链接器的世界-实验篇11] 看穿间接层：GOT、指令松弛与静态 TLS
本实验扩展静态 PIE，支持 GOT 引用、合同规定的指令松弛，以及 local-exec、initial-exec TLS。GOT 与松弛见原理篇 07，TLS 模板、线程指针和访问模型见原理篇 09。
起点：class11 代码与测试，位于 private 仓库，需要访问权限。在 class11 crate 的库接口中完成五组接口。复用 class8 的存活计划、class6 的布局、class9 的 PIE 补丁，以及 class10 的合并与展开记录处理；节分类、TLS 启动汇编、构建脚本和 CLI 已提供。
实现任务
| 任务 | 接口 | 要达到的结果 |
|---|---|---|
| C11.1 | tls_layout、Tls::tpoff | 布局初始化与零填充模板，计算 TP-relative 偏移 |
| C11.2 | lower | 按重定位种类、目标类别和指令字节选择处理方式，不改写输入 |
| C11.3 | Got::offset、Got::encode | 按首次使用分配共享槽位，编码常量或请求加载期地址 |
| C11.4 | emit | 校验 TLS 保留贡献，填写启动描述符并生成 PT_TLS |
| C11.5 | lower_with | 在同一次 PIE 布局中组合存活存储、合并常量、GOT、TLS 和展开信息，返回尚未序列化的结果 |
完整矩阵、合成身份、字段范围和诊断顺序见 class11 README。本章支持 LE/IE；GD、LD、TLSDESC 被明确拒绝。GOT 松弛只接受手册规定的 mov 字节条件，普通 GOTPCREL 与 ABS 目标保留槽位。
Prepared 表示输入身份、选中定义和存活集合；Lowered 增加布局、补丁和加载期记录。实现 lower_with 时保留分片映射并重建存活的展开记录，交给提供的 Lowered::emit 序列化。lower_prepared、lower_with_unwind 是调用这个任务的包装器。别名和排序参数用于后续 ICF；本章验证并使用它们，不负责证明代码等价。
启动顺序是 PIE 地址修正、TLS 模板复制、线程指针安装、用户入口。模板中的普通指针必须先成为运行时地址，再复制给线程；TLS 变量自己的定位则使用 TP 偏移。README 的坐标算例分别解释了这两类值和合并常量引用，避免重复应用加数。
实现时区分三种地址
在 x86-64 中，FS.base 是地址计算的基址，%fs:0 是从这个地址读取一个字；只有当启动代码把线程控制块的首字设为自身地址时，读取结果才等于线程指针（TP）。因此，FS.base、%fs:0 读取的内存内容和 TP + offset 是三个不同概念。输入符号也不能按“都在镜像内”归为一种地址：Image 符号随装载基址变化，Absolute 符号不变，TLS 符号使用模板内偏移，未定义 Weak 在找不到定义时取零。lower 必须先按这四种身份分类，再选择 GOT、TLS、松弛或普通修补路径。
GOT 槽保存的是“链接后要得到的值”，TLS 模板保存的是“每个线程复制的初始字节”，而 TP-relative 偏移是线程建立后才有意义的坐标。布局阶段先确定槽位、模板和保留区域；lower 阶段只决定指令采用 GOT、TLS 或松弛路径；启动阶段按“PIE 自重定位 → 复制 TLS 模板 → 安装 TP → 进入用户入口”执行。把模板内的普通指针当成 TP 偏移，或在复制模板后再次加装载基址，都会得到表面合法但运行时错误的地址。
基础样本必须与 class9 完全相同，说明新增功能没有改变无关路径；随后分别加入 GOT、TLS 和展开记录，才能把组合错误定位到对应坐标转换。
例如，一个 TLS 输入若有 .tdata 的 7 个初始化字节、.tbss 的 13 个零字节，最大对齐为 16，则模板的 image.len() 是 7、memory_size 是 20；为满足对齐，线程块可从模板偏移 32 开始放置线程指针。因此模板第 0 个字节的 TP-relative 偏移是 -32，.tdata 偏移 3 的字节的偏移是 -29，而最后 13 个字节只出现在每个线程的内存副本中，不出现在文件中。PT_TLS.p_filesz 应为 7，p_memsz 应为 20；把 p_memsz 当成文件长度会让启动复制越过输入图像。
GOT 也有同样的阶段边界：两个相同的 Slot 在第一次使用时只分配一个 8 字节槽，槽的值先以 Image、Absolute 或 Tls 身份保存，等布局确定后才编码。Image 槽的文件字节可以暂时为零，并生成一条加载期 Relative 记录；把这个零值当成最终地址，或在启动时再次把 TLS 偏移加上装载基址，都会得到错误结果。
从任务到测试
| 任务 | 关键测试 | 测试所证明的性质 |
|---|---|---|
C11.1 tls_layout/tpoff | tls_layout_orders_initialized_before_zero_fill、tls_metadata_precedes_size_calculation | 初始化字节先于零填充，模板文件大小与线程内存大小分离。 |
C11.2 lower | lowering_selects_got_relaxation_and_thread_offsets、lowering_rejects_tls_mismatches_and_models | 指令形式、TLS 模型和目标身份共同决定处理路径，不支持的组合被拒绝。 |
C11.3 Got | got_deduplicates_in_first_use_order、got_encodes_constants_and_relative_records | 相同槽只分配一次；槽值与加载期 Relative 记录的生成时机正确。 |
C11.4 emit | tls_startup_descriptor_and_program_header、emit_rejects_bad_tls_reservations | PT_TLS、启动描述符和保留区域描述同一模板。 |
C11.5 lower_with | threads_receive_independent_blocks_from_pt_tls、lowering_preserves_layout_before_startup_serialization | 多线程复制彼此独立，组合布局在序列化前不被破坏。 |
先验证坐标和阶段边界，再验证启动代码；运行结果正确不能单独证明 PT_TLS 或 GOT 编码正确。
验收及其含义
在克隆后的仓库根目录、原生 x86-64 Linux 上执行；需要 GNU as 和 objcopy：
cargo test --locked -p class11cargo test --locked -p class11 --releasepython3 scripts/grade.py class11合同测试检查模板布局、处理方式、GOT 去重与记录、启动描述符和 PT_TLS。原生测试检查初始化/零填充 TLS、模板内指针、GOT 松弛与保留槽位，以及不支持的引用。
组合测试核对合并常量、GOT、TLS 和展开索引共用的坐标，并在 ASLR 下执行；第二线程测试只从 PT_TLS 构造副本，确认两个线程的值独立。前者验证后端组合，后者独立验证模板描述。没有 GOT、TLS、合并或展开输入的基础样本要求产物与 class9 完全相同。通过这些测试不表示实现了 libc 的完整线程运行库。