動態庫和靜態庫在C/C++開發中很常見，相比靜態庫直接被編譯到可執行程式，動態庫執行時載入使得可執行程式的體積更小，更新動態庫可以不用重新編譯可執行程式等諸多好處。作者是一個Linux後臺開發，這些知識經常用到，所以整理了一下這方面的知識。靜態庫相對簡單，本文只關心Linux平臺下的動態庫。
建立動態庫
這裡我把一個短小卻很有用的雜湊函式編譯成動態庫做為示例，ELFhash用於對字串做雜湊，返回一個無符號整數。
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//elfhash.h #include unsigned long ELFhash(const char* key); //elfhash.c #include "elfhash.h" unsigned long ELFhash(const char* key) { unsigned long h = 0, g; while( *key ) { h = ( h > 24; h &= ~g; } return h; } |
接下來使用gcc編譯以上程式碼，並用ld將編譯的目標檔案連結成動態庫
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gcc -fPIC -c -Wall elfhash.c ld -shared elfhash.o -o libelfhash.so |
其中-fPIC意思是生成位置無關的程式碼(Position Independent Code)，適用於動態庫，在多個程式中共享動態庫的同一份程式碼。ld的-shared選項告訴連結器建立的是動態庫。gcc也可以間接呼叫ld生成動態庫
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gcc -fPIC -shared -Wall -o libelfhash.so elfhash.c |
使用動態庫
動態庫的使用方法有兩種一種是隱式使用，第二種是顯式使用。隱式使用的方法很簡單。
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#include "elfhash.h" int main() { printf("%ldn", ElfHash("key-for-test")); return 0; } |
顯式使用動態庫需要藉助以下幾個函式
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#include void *dlopen(const char *filename, int flag); //flag可以是RTLD_LAZY，執行共享庫中的程式碼時解決未定義符號，RTLD_NOW則是dlopen返回前解決未定義符號。 char *dlerror(void); //當發生錯誤時，返回錯誤資訊 void *dlsym(void *handle, const char *symbol); //獲取符號 int dlclose(void *handle); //關閉 |
應用上面幾個函式，呼叫ELFhash實現跟隱式呼叫一樣的功能
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#include "elfhash.h" #include #include int main() { void *handle; unsigned long (*hash)(const char*); char *error; handle = dlopen ("./libelfhash.so", RTLD_LAZY); if (!handle) { fputs (dlerror(), stderr); exit(1); } hash = dlsym(handle, "ElfHash"); if ((error = dlerror()) != NULL) { fputs(error, stderr); exit(1); } printf ("%ldn", (*hash)("key-for-test")); dlclose(handle); } |
至此瞭解以上的知識就可以建立和使用動態庫了。 實際應用中我們可能還是會遇到一些問題。
動態庫的載入
動態庫建立那一節，我演示如何隱式使用動態庫，那麼編譯執行這段程式碼試一下。
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gcc main.c -L./ -lelfhash ./a.out //執行可執行程式 //以下是輸出結果 ./a.out: error while loading shared libraries: libelfhash.so: cannot open shared object file: No such file or directory |
結果執行時報錯，可執行程式找不到動態庫。 網上有一些說法是編譯時設定-L選項，但在Linux上面證明是不行的（SunOS上可行），這個選項只能在編譯連結時有效， 可以讓你使用-l如上面的-lelfhash。使用readelf -d a.out可以看到可執行檔案依賴的動態庫資訊。
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0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [libelfhash.so] |
可以看到這裡面並沒有包含動態庫的路徑資訊。查閱一下動態連結器的文件man ld-linux.so可以發現這樣一句話(有的沒有，版本問題)
If a slash is found, then the dependency string is interpreted as a (relative or absolute) pathname, and the library is loaded using that pathname
這段話太長，我只擷取一部分，大致就是說，當依賴中有/符號,那麼會被解析成動態庫載入的路徑，隱式使用的例子換一種編譯方法。
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gcc main.c ./libelfhash.so ./a.out 23621492 //輸出正常 |
再用readelf -d a.out檢視會發現，依賴資訊中有了一個路徑。
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0x0000000000000001 (NEEDED) Shared library: [./libelfhash.so] |
這種方法雖然解決了問題，但是依賴中的路徑是硬編碼，不是很靈活。 動態連結器是如何查詢的動態庫的需要進一步查閱文件。關於查詢的順序有點長，這裡就不直接引用了，大致是這樣：
- (僅ELF檔案) 使用可執行檔案中DT_RPATH區域設定的屬性,如果DT_RUNPATH被設定，那麼忽略DT_RPATH（在我的Linux對應的是RPATH和RUNPATH）。
- 使用環境變數LD_LIBRARY_PATH，如果可執行檔案中有set-user-id/set-group-id, 會被忽略。
- (僅ELF檔案) 使用可執行檔案中DT_RUNPATH區域設定的屬性
- 從/etc/ld.so.cache快取檔案中查詢
- 從預設路徑/lib, /usr/lib檔案目錄中查詢
我們需要設定RPATH或者RUNPATH,可以這樣做
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gcc main.c -Wl,-rpath,/home/xxx,--enable-new-dtags -L./ -lelfhash |
這裡的-Wl選項告訴連結器ld如果如何處理，接下來傳遞的-rpath(或者使用-R)告訴ld動態庫的路徑資訊(注意-Wl,和後面選項之間不能有空格)。如果沒有--enable-new-dtags那麼只會設定RPATH，反之，RPATH和RUNPATH會同時被設定。使用readelf -d a.out檢視結果:
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0x000000000000000f (RPATH) Library rpath: [/home/xxx] 0x000000000000001d (RUNPATH) Library runpath: [/home/xxx] |
如果使用環境變數LD_LIBRARY_PATH，那麼一般這樣用 export
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export LD_LIBRARY_PATH=/home/xxx;$LD_LIBRARY_PATH |
RPATH和RUNPATH指定動態庫的路徑，用起來簡單，但是也缺乏靈活性，LDLIBRARYPATH在臨時測試的也是很有用的，但是在正式環境中，直接使用它也不是好的實踐，因為環境變數跟使用者的環境關係比較大。動態庫不僅要考慮自己使用， 還有分發給別的使用者使用的情況。
更通用的方法是使用ldconfig，有幾種方法，先在/etc/ld.so.conf.d/目錄下建立一個檔案，然後把你的動態庫路徑寫進去。或者將你的動態庫放到/lib,/lib64(64位),/usr/lib,/usr/lib64(64位)然後執行sudo ldconfig重建/etc/ld.so.cache檔案。
動態庫版本
通常在使用第三方給的動態庫的時候，都是帶有版本（檔案命名），可以在/usr/lib64下看到很多這樣的動態庫。現在我重新編譯動態庫，這次加上版本資訊。
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gcc -fPIC -shared -Wall -Wl,-soname,libelfhash.so.0 -o libelfhash.so.0.0.0 elfhash.c |
每個動態庫都有一個名字，如這裡的libelfhash.so.0.0.0，叫real name，命名規則跟簡單,通常是libxxx.so.MAJOR.MINOR.VERSION(有的時候VERSION會被省略),如果動態庫在介面上的相容性，比如刪除了介面或者修改了介面引數，MAJOR增加，如果介面相容，只是做了更新或者bug修復那麼MINOR和VERSION增加。也就是說MAJOR相同的庫介面都是相容的，反之不相容，如果使用不相容的動態庫需要重新編譯可執行程式。
編譯動態庫時，通過給ld傳遞連線選項-soname可以指定一個soname, 如這裡的libelfhash.so.0 只保留MAJOR,可執行程式執行載入動態庫時，會載入這個指定名字的庫。
動態庫還有一個名字是link name,編譯可執行程式時，傳個連結器ld的動態庫名字，通常是沒有版本號以.so結尾的檔名。 一般作法是對soname建立軟鏈。
按照這個規則來命名的動態庫可以ldconfig識別，我們把libelfhash.so.0.0.0放到/usr/lib64資料夾中，執行以下指令
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$sudo ldconfig -v | grep libelfhash.so libelfhash.so.0 -> libelfhash.so.0.0.0 |
可以發現ldconfig根據libelfhash.so.0.0.0的資訊，建立了一個soname指向real name的軟鏈，當動態庫更新(MINOR,VERSION增加)，拷貝新庫到相應的位置，再執行sudo ldconfig會自動更新軟鏈指向最新的動態庫，動態庫更新就完成了。
總結
OK，關於Linux動態庫知識整理就到這裡了，這些知識雖說都是些基礎，少有涉及動態庫內部的一些原理，但是卻很常用。整理過程中我帶著疑問去閱讀了ld和ld-linux.so的文件，收穫頗豐。同樣，希望本文能幫你解釋遇到的部分問題或疑惑。