PIC/PIE（ピーアイシーピーアイイー）

2025年11月8日

PIC/PIE（ピーアイシーピーアイイー）

英語表記: PIC/PIE (Position-Independent Code / Position-Independent Executable)

概要

PIC（位置独立コード）とPIE（位置独立実行可能ファイル）は、プログラムがメモリ上のどこに配置されても、アドレスを修正することなく正しく実行できるように設計されたコード生成技術です。この技術は、特に「リンカとローダ」の処理において非常に重要な役割を果たします。具体的には、ダイナミックリンクライブラリ（共有ライブラリ）を複数のプロセスで共有するために不可欠であり、ローダが実行ファイルをメモリに配置する際の複雑な「再配置処理」の負担を大幅に軽減します。PIEは、このPICの概念をメインの実行ファイル自体に適用することで、現代のセキュリティ対策（ASLR）の基盤ともなっている、非常に画期的な技術なんですよ。

詳細解説

位置独立コードが必要な背景と目的

私たちが作成したプログラムは、コンパイルされ、リンクされて、最終的にローダによってメモリに読み込まれて実行されます。従来のプログラムコードは、特定のメモリ位置（絶対アドレス）を前提として命令を記述していました。しかし、共有ライブラリの場合、複数のプログラムが同時に利用するため、いつ、どこにメモリが割り当てられるかを事前に決めることができません。

ここでPICの出番です。PICの主な目的は、ローダの再配置処理を最小限に抑えることです。再配置処理とは、プログラムがメモリに読み込まれた後、コード内に記述されている絶対アドレスを、実際に割り当てられたメモリのアドレスに合わせて修正する作業を指します。この作業は時間がかかり、特に大規模な共有ライブラリでは大きなオーバーヘッドとなります。

PICの動作原理：相対アドレッシングと間接参照

PICを実現するために、コンパイラとリンカはいくつかの工夫を施します。これはコンパイルと言語処理系の技術の粋を集めたものと言えるでしょう。

PC相対アドレッシングの利用:
命令のジャンプ先や参照先を、絶対アドレスではなく、「現在のプログラムカウンタ（PC）の位置からどれだけ離れているか」という相対的な距離で指定します。これにより、プログラム全体がメモリ上で移動しても、命令間の相対的な位置関係は変わらないため、コードはそのまま実行可能です。
大域オフセットテーブル（GOT: Global Offset Table）:
プログラム内のデータや、外部の関数（他の共有ライブラリ内の関数など）を参照する場合、絶対アドレスが必要になります。PICでは、これらの絶対アドレスを直接コードに埋め込む代わりに、GOTという専用のテーブルを作成します。コードはまずGOTを参照し、GOTが実際のメモリ位置を指し示すという「間接参照」の仕組みを取ります。
手続きリンケージテーブル（PLT: Procedure Linkage Table）:
外部の関数を呼び出す際の手続きを効率化するのがPLTです。PLTはGOTと連携し、初回呼び出し時にローダや実行環境が実際の関数のアドレスを解決し、それをGOTに書き込みます。以降の呼び出しでは、PLTを経由してGOTに登録されたアドレスに直接ジャンプできるため、動的なリンク処理を効率的に行えるわけです。

ローダの動作におけるPIC/PIEの重要性

このGOTやPLTの仕組みにより、ローダの仕事は劇的に簡略化されます。ローダは共有ライブラリをメモリのどこか空いている場所に配置し、GOTの初期エントリ（主に自身のデータセクションや外部参照の初期値）を設定するだけで済みます。従来の非PICコードであれば、ローダはコードセクション全体をスキャンし、絶対アドレスが書かれている箇所を一つ一つ修正しなければなりませんでした。PIC/PIEは、この「ローダの動作」における再配置の負荷を、データの参照部分（GOT）のみに限定する、素晴らしい最適化技術なのです。

PIEとセキュリティ（ASLR）

PIEは、メインの実行ファイル自体をPICとして構築する技術です。これにより、オペレーティングシステムは、プログラムが起動するたびに、そのプログラムをメモリ上のランダムな位置にロードすることができます。これはアドレス空間配置のランダム化（ASLR: Address Space Layout Randomization）を実現するために不可欠です。ASLRは、悪意のある攻撃者がプログラムの内部構造や特定の関数のアドレスを予測することを困難にし、セキュリティを大幅に向上させます。PIEは、コンパイルと言語処理系が生み出した、現代のセキュリティ対策の根幹をなす技術として、非常に注目されています。

具体例・活用シーン

PIC/PIE技術は、私たちが日常的に利用するほとんどのソフトウェアの基盤となっています。

共有ライブラリの効率的な利用
- Linuxの.soファイルやWindowsのDLLファイルは、基本的にPICとしてコンパイルされています。これにより、メモリ上にライブラリのコードを1つだけロードし、複数のアプリケーションがそのコピーを共有できます。これは、メモリ資源の節約に直結します。
現代的なOSにおけるセキュリティ
- 主要なOS（Linux, macOS, Windowsなど）は、セキュリティ強化のため、デフォルトでPIE形式の実行ファイルを生成するようになっています。これにより、すべてのプロセスがASLRの恩恵を受け、バッファオーバーフロー攻撃などのリスクが軽減されます。
具体的な例え：地図上の目的地
- PICコードを理解するための分かりやすい例として、「絶対座標の地図」と「相対的な指示書」を考えてみましょう。
  - 非PICコード（絶対座標）：「東京駅（座標X, Y）から北に3キロの地点にある建物に行きなさい。」もし東京駅が別の場所に移動したら、この指示は完全に間違ってしまいます。
  - PICコード（相対的な指示書）：「今いる場所から北に3キロ進んだ地点にある建物に行きなさい。」スタート地点（プログラムがロードされたメモリ位置）がどこであっても、この指示は常に正しく機能します。
- この「相対的な指示」を可能にすることで、ローダは慌てて地図上の座標をすべて修正し直す必要がなくなり、読み込みが迅速かつ柔軟になるのです。

資格試験向けチェックポイント

PIC/PIEは、特に応用情報技術者試験や高度試験において、動的リンク、メモリ管理、セキュリティの文脈で頻出する重要な概念です。

ITパスポート試験向け
- 「共有ライブラリ」や「DLL」といった用語と関連付けて、「プログラムをメモリ上のどこに置いても動かせる技術」という大枠の理解があれば十分です。メモリの効率利用やセキュリティ向上に役立つと覚えておきましょう。
基本情報技術者試験向け
- PIC（位置独立コード）の定義と、それが「ローダの再配置処理の負担を軽減する」役割を理解することが重要です。ダイナミックリンク（動的リンク）の実現に不可欠であることを確認してください。
応用情報技術者試験・高度試験向け
- PICとPIEの違いを明確に区別できるようにしてください。PIEは実行ファイル全体を位置独立にし、特にASLR（アドレス空間配置のランダム化）を実現するための技術であることを結びつけて覚える必要があります。
- GOT（大域オフセットテーブル）やPLT（手続きリンケージテーブル）といった具体的なメカニズムが、どのように間接参照を提供し、ローダの処理をサポートしているか、深く理解しておくことが求められます。
- 出題パターンとしては、「PICを採用する理由として正しいものはどれか」や「ASLRの実現に必要な技術はどれか」といった形で問われることが多いです。