Linux動態庫相關知識整理

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序， 動態庫運行時加載使得可執行程序的體積更小，更新動態庫可以不用重新編譯可執 行程序等諸多好處。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。

創建動態庫

這裏我把一個短小卻很有用的哈希函數編譯成動態庫做爲示例，ELFhash用於對字符串做哈希，返回一個無符號整數。

//elfhash.h
#include <stdio.h>
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 << 4 ) + *key++;
    if ( (g = h & 0xF0000000) != 0 )
       h ^= g >> 24;
    h &= ~g;
}
  return h;
}

接下來使用gcc編譯以上代碼，並用ld將編譯的目標文件鏈接成動態庫

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代碼(Position Independent Code)，適用於動態庫，在多個進程中共享動態庫的同一份代碼。ld的-shared選項告訴鏈接器創建的是動態庫。gcc也可以間接調用ld生成動態庫

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。

#include "elfhash.h"
int main()  
{
    printf("%ld\n", ElfHash("key-for-test"));
    return 0;
}

顯式使用動態庫需要藉助以下幾個函數

#include <dlfcn.h>
void *dlopen(const char *filename, int flag); //flag可以是RTLD_LAZY，執行共享庫中的代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，返回錯誤信息  
void *dlsym(void *handle, const char *symbol); //獲取符號  
int dlclose(void *handle); //關閉  

應用上面幾個函數，調用ELFhash實現跟隱式調用一樣的功能

#include "elfhash.h"
#include <stdlib.h>
#include <dlfcn.h>

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 ("%ld\n", (*hash)("key-for-test"));
    dlclose(handle);
}

至此瞭解以上的知識就可以創建和使用動態庫了。 實際應用中我們可能還是會遇到一些問題。

動態庫的加載

動態庫創建那一節，我演示如何隱式使用動態庫，那麼編譯運行這段代碼試一下。

gcc main.c -L./ -lelfhash  
./a.out //執行可執行程序
//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 

結果運行時報錯，可執行程序找不到動態庫。 網上有一些說法是編譯時設置-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鏈接時有效， 可以讓你使用-l如上面的-lelfhash。使用readelf -d a.out可以看到可執行文件依賴的動態庫信息。

 0x0000000000000001 (NEEDED)  Shared library: [libelfhash.so]

可以看到這裏面並沒有包含動態庫的路徑信息。查閱一下動態鏈接器的文檔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，我只截取一部分，大致就是說，當依賴中有/符號,那麼會被解析成動態庫加載的路徑，隱式使用的例子換一種編譯方法。

gcc main.c ./libelfhash.so  
./a.out
23621492 //輸出正常  

再用readelf -d a.out查看會發現，依賴信息中有了一個路徑。

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。 動態鏈接器是如何查找的動態庫的需要進一步查閱文檔。關於查找的順序有點長，這裏就不直接引用了，大致是這樣：

1. (僅ELF文件) 使用可執行文件中DT_RPATH區域設置的屬性,如果DT_RUNPATH被設置，那麼忽略DT_RPATH（在我的Linux對應的是RPATH和RUNPATH）。
2. 使用環境變量LD_LIBRARY_PATH，如果可執行文件中有set-user-id/set-group-id, 會被忽略。
3. (僅ELF文件) 使用可執行文件中DT_RUNPATH區域設置的屬性
4. 從/etc/ld.so.cache緩存文件中查找
5. 從默認路徑/lib, /usr/lib文件目錄中查找

我們需要設置RPATH或者RUNPATH,可以這樣做

gcc main.c -Wl,-rpath,/home/xxx,--enable-new-dtags -L./  -lelfhash  

這裏的-Wl選項告訴鏈接器ld如果如何處理，接下來傳遞的-rpath(或者使用-R)告訴ld動態庫的路徑信息(注意-Wl,和後面選項之間不能有空格)。如果沒有--enable-new-dtags那麼只會設置RPATH，反之，RPATH和RUNPATH會同時被設置。使用readelf -d a.out查看結果:

0x000000000000000f (RPATH)  Library rpath: [/home/xxx]  
0x000000000000001d (RUNPATH)  Library runpath: [/home/xxx]  

如果使用環境變量LD_LIBRARY_PATH，那麼一般這樣用 export

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，因爲環境變量跟用戶的環境關係比較大。動態庫不僅要考慮自己使用， 還有分發給別的用戶使用的情況。

更通用的方法是使用ldconfig，有幾種方法，先在/etc/ld.so.conf.d/目錄下創建一個文件，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)然後運行sudo ldconfig重建/etc/ld.so.cache文件。

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（文件命名），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，這次加上版本信息。

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，如這裏的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),如果動態庫在接口上的兼容性，比如刪除了接口或者修改了接口參數，MAJOR增加，如果接口兼容，只是做了更新或者bug修復那麼MINOR和VERSION增加。也就是說MAJOR相同的庫接口都是兼容的，反之不兼容，如果使用不兼容的動態庫需要重新編譯可執行程序。

編譯動態庫時，通過給ld傳遞連接選項-soname可以指定一個soname, 如這裏的libelfhash.so.0 只保留MAJOR,可執行程序運行加載動態庫時，會加載這個指定名字的庫。

動態庫還有一個名字是link name,編譯可執行程序時，傳個鏈接器ld的動態庫名字，通常是沒有版本號以.so結尾的文件名。 一般作法是對soname創建軟鏈。

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文件夾中，執行以下指令

$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的信息，創建了一個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裏了，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。整理過程中我帶着疑問去閱讀了ld和ld-linux.so的文檔，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。