執行期載入時共享庫路徑搜尋優先順序實驗

paw5zx發表於2024-08-01

前言
實驗環境
目錄說明
單獨測試
- 不配置路徑
- 預設路徑
- ld.so.cache
- RUNPATH
- LD_LIBRARY_PATH
- RPATH
優先順序測試
附錄
- 庫檔案原始碼
- 主程式原始碼
- makefile
- 指令碼
  - run_none
  - run_default
  - run_ld_so_cache
  - run_runpath
  - run_ld_library_path
  - run_rpath
  - run_cmp_all

前言

《共享庫連結和載入時的路徑搜尋優先順序》中提到，共享庫在執行期載入時的路徑搜尋優先順序為：
RPATH>LD_LIBRARY_PATH>RUNPATH>/etc/ld.so.conf和/etc/ld.so.conf.d/*>預設庫路徑

本實驗分兩步驗證上述結論
①單獨測試每種方法指定的路徑的可行性
②檢視連結器輸出的詳細資訊，驗證上述優先順序順序

實驗環境

作業系統：Ubuntu 20.04
編譯器：g++-11.4.0
make：GNU Make 4.2.1

目錄說明

專案的目錄結構如下：

.
├── lib
├── obj
├── libhello.cpp
├── main.cpp
├── run_cmp_all.sh
├── run_default.sh
├── run_ld_library_path.sh
├── run_ld_so_cache.sh
├── run_none.sh
├── run_rpath.sh
├── run_runpath.sh
└── makefile

其中：

lib為存放共享庫的資料夾
obj為存放可重定位目標檔案的資料夾
libhello.cpp為共享庫原始碼，它將被編譯為libhello.so.1.1.0（soname為libhello.so.1）
mian.cpp為主函式，其中呼叫了hello函式
run_cmp_all.sh為對比測試上述路徑優先順序的指令碼
run_default.sh為單獨測試預設路徑可行性的指令碼
run_ld_library_path.sh為單獨測試LD_LIBRARY_PATH可行性的指令碼
run_ld_so_cache.sh為單獨測試ld.so.cache可行性的指令碼
run_none.sh為不配置任何路徑的指令碼，用於演示搜尋不到動態庫檔案，程式無法執行的情況
run_rpath.sh為單獨測試RPATH可行性的指令碼
run_runpath.sh為單獨測試RUNPATH可行性的指令碼
makefile為自動化構建指令碼

本文主要討論執行期的載入過程，因此不對編譯期的過程做過多解釋，內容詳見makefile檔案

在附錄中，我將提供本次實驗涉及到的程式碼。

單獨測試

不配置路徑

不做任何路徑的配置並且不在預設路徑下放置libhello.so.1檔案，檢視程式是否可以執行成功。

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_none.sh

輸出：

./hello: error while loading shared libraries: libhello.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory

可以看到由於我們沒有配置任何額外的搜尋路徑，並且沒有在預設搜尋路徑下放置libhello.so.1檔案，動態連結器就找不到相應的共享庫檔案，就會導致載入失敗，程式無法執行。

預設路徑

①將libhello.so.1.1.0複製至預設搜尋路徑/usr/lib，並在/usr/lib下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
②執行可執行檔案。

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_default.sh

輸出：

Hello from the 1.1.0 library!

沒有報錯。

ld.so.cache

①建立路徑/opt/hellolib_runtime
②將libhello.so.1.1.0複製至/opt/hellolib_runtime，並在/opt/hellolib_runtime下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
③向/etc/ld.so.conf.d中新增一個配置檔案libhello.conf，並向其中寫入動態庫檔案所在的路徑/opt/hellolib_runtime
④使用ldconfig命令更新ld.so.cache
⑤執行可執行檔案

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_ld_so_cache.sh

輸出：

Hello from the 1.1.0 library!

沒有報錯。

RUNPATH

①在編譯期新增-Wl,--enable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RUNPATH
②將libhello.so.1.1.0複製至/opt/hellolib_runtime，並在/opt/hellolib_runtime下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
③執行可執行檔案

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_runpath.sh

輸出：

Hello from the 1.1.0 library!

沒有報錯。

LD_LIBRARY_PATH

①建立路徑/opt/hellolib_runtime
②將libhello.so.1.1.0複製至/opt/hellolib_runtime，並在/opt/hellolib_runtime下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
③向環境變數LD_LIBRARY_PATH中新增/opt/hellolib_runtime
④執行可執行檔案

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_ld_library_path.sh

輸出：

Hello from the 1.1.0 library!

沒有報錯。

RPATH

①在編譯期新增-Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RPATH
②將libhello.so.1.1.0複製至/opt/hellolib_runtime，並在/opt/hellolib_runtime下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
③執行可執行檔案

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_rpath.sh

輸出：

Hello from the 1.1.0 library!

沒有報錯。

優先順序測試

在此模組我們要測試共享庫在執行期載入時的路徑搜尋優先順序（沒有測RUNPATH，有興趣的朋友可以自行測試一下），關鍵步驟如下：
①建立路徑/opt/hellolib_runtime,/opt/hellolib_runtime1,/opt/hellolib_runtime2
②在編譯期新增-Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RPATH
③向環境變數LD_LIBRARY_PATH中新增/opt/hellolib_runtime1
④向/etc/ld.so.conf.d中新增一個配置檔案libhello.conf，向其中寫入路徑/opt/hellolib_runtime2，並使用ldconfig命令更新ld.so.cache
⑤將libhello.so.1.1.0複製至預設搜尋路徑/usr/lib，並在/usr/lib下建立一個軟連結（libhello.so.1）指向它
⑥執行可執行檔案

直接執行指令碼即可完成上述操作：

sh ./run_cmp_all.sh

在指令碼中，我設定了環境變數LD_DEBUG=libs，啟用了動態連結器的除錯輸出（針對庫的載入過程），因此終端輸出了以下資訊（僅擷取關鍵部分）：

 	460445:     find library=libhello.so.1 [0]; searching
    460445:      search path=/opt/hellolib_runtime/tls/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime/tls/haswell:/opt/hellolib_runtime/tls/x86_64:/opt/hellolib_runtime/tls:/opt/hellolib_runtime/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime/haswell:/opt/hellolib_runtime/x86_64:/opt/hellolib_runtime            (RPATH from file ./hello_rpath)
...
    460445:       trying file=/opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
    460445:      search path=/opt/hellolib_runtime1/tls/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/tls/haswell:/opt/hellolib_runtime1/tls/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/tls:/opt/hellolib_runtime1/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/haswell:/opt/hellolib_runtime1/x86_64:/opt/hellolib_runtime1:tls/haswell/x86_64:tls/haswell:tls/x86_64:tls:haswell/x86_64:haswell:x86_64:               (LD_LIBRARY_PATH)
...
    460445:       trying file=/opt/hellolib_runtime1/libhello.so.1
...
    460445:      search cache=/etc/ld.so.cache
    460445:      search path=/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell:/lib/x86_64-linux-gnu/tls/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/tls:/lib/x86_64-linux-gnu/haswell/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/haswell:/lib/x86_64-linux-gnu/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/haswell/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/haswell:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu:/lib/tls/haswell/x86_64:/lib/tls/haswell:/lib/tls/x86_64:/lib/tls:/lib/haswell/x86_64:/lib/haswell:/lib/x86_64:/lib:/usr/lib/tls/haswell/x86_64:/usr/lib/tls/haswell:/usr/lib/tls/x86_64:/usr/lib/tls:/usr/lib/haswell/x86_64:/usr/lib/haswell:/usr/lib/x86_64:/usr/lib            (system search path)
...
    460445:       trying file=/lib/libhello.so.1

可以看出動態連結器依次搜尋了：RPATH指定的路徑，LD_LIBRARY_PATH記錄的路徑，ld.so.cache中記錄的路徑，預設路徑。

因此驗證了上述的路徑搜尋優先順序的順序。

附錄

庫檔案原始碼

//file: libhello.cpp
#include <iostream>
void hello()
{
    std::cout << "Hello from the 1.1.0 library!" << std::endl;
}

主程式原始碼

//file: main.cpp
extern void hello();
int main()
{
    hello();
    return 0;
}

makefile

# file: makefile
CXX = g++
CXXFLAGS = -fPIC
LDFLAGS = -shared
DEBUG_MODE ?= 0
 
ifeq ($(DEBUG_MODE),1)
    DEBUG_OPTS = -v -Wl,--verbose
endif
 
all: lib/libhello.so.1.1.0 obj/main.o
 
lib/libhello.so.1.1.0: libhello.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $^ $(LDFLAGS) -Wl,-soname,libhello.so.1
 
obj/main.o: main.cpp
	$(CXX) -c -o $@ $^
 
# 僅使用-L
hello: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -L/opt/hellolib_compile -lhello

hello_rpath: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	mkdir -p /opt/hellolib_runtime
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
	ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime -L/opt/hellolib_compile -lhello

hello_runpath: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	mkdir -p /opt/hellolib_runtime
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
	ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -Wl,--enable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime -L/opt/hellolib_compile -lhello
 
clean:
	rm -f ./lib/* ./obj/* ./hello*
	rm -f /usr/lib/libhello*
	rm -rf /opt/hellolib_compile*
	rm -rf /opt/hellolib_runtime*

.PHONY: clean hello hello_rpath hello_runpath

指令碼

run_none

#!/bin/bash

make
make hello

LD_DEBUG=libs ./hello

make clean

run_default

#!/bin/bash

make
make hello

cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so.1

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -f /usr/lib/libhello.so*
make clean

run_ld_so_cache

#!/bin/bash

make
make hello

mkdir -p /opt/hellolib_runtime
cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1

echo "/opt/hellolib_runtime" > /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -rf /opt/hellolib_runtime*
rm -f /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig
make clean

run_runpath

#!/bin/bash

make
make hello_runpath

LD_DEBUG=libs ./hello_runpath

make clean

run_ld_library_path

#!/bin/bash

make
make hello

mkdir -p /opt/hellolib_runtime
cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1

export LD_LIBRARY_PATH=/opt/hellolib_runtime:$LD_LIBRARY_PATH

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -rf /opt/hellolib_runtime*
make clean

run_rpath

#!/bin/bash

make
make hello_rpath

LD_DEBUG=libs ./hello_rpath

make clean

run_cmp_all

#!/bin/bash

make
make hello_rpath
rm -rf /opt/hellolib_runtime/*

mkdir -p /opt/hellolib_runtime1
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/hellolib_runtime1:$LD_LIBRARY_PATH

mkdir -p /opt/hellolib_runtime2
echo "/opt/hellolib_runtime2" > /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig

cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so.1

LD_DEBUG=libs ./hello_rpath

rm -f /usr/lib/libhello.so*
rm -f /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig
rm -rf /opt/hellolib_runtime*
make clean

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預設路徑

ld.so.cache

RUNPATH

LD_LIBRARY_PATH

RPATH

優先順序測試

附錄

庫檔案原始碼

主程式原始碼

makefile

指令碼

run_none

run_default

run_ld_so_cache

run_runpath

run_ld_library_path

run_rpath

run_cmp_all

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