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分类: C/C++

2014-11-09 22:33:33

linux中共享库以.so结尾。共享库在链接时候并不像静态库把代码都添加到可执行文件中,而只是作些标记,记录需要的符号。然后在程序加载或运行时,添加所需要的符号。

共享库的使用可分为动态链接(dynamic linking)和动态装载(dynamic loading)。

共享库的动态链接

同静态库一样,共享库的创建有两步:编译.o文件和把.o文件打包。

生成.o目标文件:
$ cat test_old.c 

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. void fun(void)
  3. {
  4.     printf("I'm old\n");
  5. }
  1. $ gcc -fPIC -c test_old.c
-fPIC参数的意思是表明创建位置无关代码(position independent code),这通常是创建共享库必须的。因为动态库和静态库不同,链接时是没法确定代码运行时的地址的,所以要告诉编译器该代码有可能在任意地址运行。

生成共享库:
  1. $ gcc -shared -o libtest.so test_old.o
这样,共享库libtest.so就创建好了。

链接:
$ cat main.c

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>

  2. extern void fun(void);

  3. int main(int argc, const char *argv[])
  4. {
  5.     fun();
  6.     return 0;
  7. }
链接时需要用-L指定动态库所在的位置。
  1. $ gcc main.c -ltest -L.

执行:
  1. $ ./a.out
  2. ./a.out: error while loading shared libraries: libtest.so: cannot open shared object file: No such file or directory
我们发现报错信息说加载共享库时找不到共享库目标文件。
程序运行前,会把这个程序需要的符号都加载到内存(虚拟内存)中,那加载器怎么知道这个程序需要哪些符号(symbols)呢?实际上,这些信息在链接时已经被加入到elf文件中。当然,链接时加进去的只是符号的名字,而没有符号的内容。
对于动态库的符号加载,程序运行前需要先找到这个动态库,然后把程序需要的符号内容找出来导入进去。目前我们的问题是加载器不知道去哪里找这个库。有四种方法可以解决这个问题:
1. 设置LD_LIBRARY_PATH环境变量
  1. $ export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`
2. 把共享库添加到默认的库路径中
可以使用软链接的方式:
  1. $ ln -s `pwd`/libtest.so /usr/lib
3. 把路径添加到/etc/ld.so.conf中,再执行ldconfig
  1. $ sudo echo `pwd` >>/etc/ld.so.conf
  2. $ sudo ldconfig
4. 链接时使用-R选项(或 -rpath)指定run-time path.
  1. $ gcc main.c -ltest1 -L. -Wl,-R.

选择一种方法,设置好后再运行,可以看到程序正常跑起来了。
  1. $ ./a.out
  2. I'm old

使用动态链接共享库的优点:
1. 减少可执行文件的大小。

2. 方便更新。
例如我们想用test_new.c代替test_old.c,先创建新的共享库:
  1. $ gcc -fPIC -c test_new.c
  2. $ gcc -shared -o libtest.so test_new.o
只需要替换libtest.so,无需重新链接,就可执行:
  1. $ ./a.out
  2. I'm new

共享库缺点:
容易产生版本问题。
例如,开发时使用的某个动态库版本是1.0的,开发完发布给用户。而用户机子上该动态库版本是0.9,就有可能引起某些意想不到的问题。

共享库的动态加载

共享库还可以在程序运行过程中动态加载。而不是在程序启动的时候加载。
linux中使用dl库可以实现动态加载。

下面是动态加载相关API的介绍:
1. dlopen 
  1. void* dlopen(const char *libname,int flag);
dlopen必须在dlerror,dlsym和dlclose之前调用,表示要将库装载到内存,准备使用。
如果要装载的库依赖于其它库,必须首先装载依赖库。如果dlopen操作失败,返回NULL值;如果库已经被装载过,则dlopen会返回同样的句柄。
参数中的libname是库的路径和名称。flag参数表示处理未定义函数的方式,可以使用RTLD_LAZY或RTLD_NOW。RTLD_LAZY表示暂时不去处理未定义函数,先把库装载到内存,等用到没定义的函数再说;RTLD_NOW表示马上检查是否存在未定义的函数,若存在,则dlopen以失败告终。

2. dlerror
  1. char* dlerror(void);
获得最近一次dlopen,dlsym或dlclose操作的错误信息,返回NULL表示无错误。dlerror在返回错误信息的同时,也会清除错误信息。

3. dlsym
  1. void* dlsym(void *handle,const char *symbol);
返回指定函数(symbol)的指针。
如果找不到指定函数,则dlsym会返回NULL值。但判断函数是否存在最好的方法是使用dlerror函数,

4. dlclose
  1. int dlclose(void *);
将已经装载的库句柄减一,如果句柄减至零,则该库会被卸载。如果存在析构函数,则析构函数会被调用。 


使用举例:
$cat test_dl.c

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. #include <dlfcn.h>
  3. #include <stdlib.h>
  4. #include <string.h>
  5. int main(int argc, char **argv)
  6. {
  7.     void *handle;
  8.     void (*print)(int);
  9.     char *error;

  10.     handle = dlopen("./libmyprint.so", RTLD_LAZY);
  11.     if (!handle) {
  12.         fputs(dlerror(), stderr);
  13.         exit(1);
  14.     }

  15.     print = dlsym(handle, "myprint");
  16.     if ((error = dlerror()) != NULL) {
  17.         fputs(error, stderr);
  18.         exit(1);
  19.     }

  20.     print(1);
  21.     print(2);
  22.     print(3);
  23.     dlclose(handle);

  24.     return 0;
  25. }

共享库代码:
$cat myprint.c

点击(此处)折叠或打开

  1. #include <stdio.h>
  2. void myprint(int num)
  3. {
  4.     if (num == 1)
  5.         printf("I'm Bob.\n");
  6.     else if (num == 2)
  7.         printf("I'm John.\n");
  8.     else
  9.         printf("Who am I?\n");
  10. }

编译共享库:
  1. gcc -fPIC -c myprint.c
  2. gcc -shared -o libmyprint.so myprint.o

链接:
需要加上-rdynamic参数,通知链接器将库所有符号添加到动态符号表中。并链接libdl.so库。
  1. gcc -rdynamic -o test_dl test_dl.c -ldl

执行结果:
$ ./test_dl
  1. I'm Bob.
  2. I'm John.
  3. Who am I?


小结

本文介绍了共享库的动态链接和动态加载。对于elf文件的链接和装载只是略略带过。
如需深入理解,可以研究Linux中提供的readelf, nm, objdump等命令。也可以参考经典书籍linkers and loaders.

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