原作者：M. Jones

連結：https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-dynamic-libraries/

庫用於將相似函式打包在一個單元中。然後這些單元就可為其他開發人員所共享，並因此有了模組化程式設計這種說法 — 即，從模組中構建程式。Linux 支援兩種型別的庫，每一種庫都有各自的優缺點。靜態庫包含在編譯時靜態繫結到一個程式的函式。動態庫則不同，它是在載入應用程式時被載入的，而且它與應用程式是在執行時繫結的。圖 1 展示了 Linux 中的庫的層次結構。

圖 1. Linux 中的庫層次結構

使用共享庫的方法有兩種：您既可以在執行時動態連結庫，也可以動態載入庫並在程式控制之下使用它們。本文對這兩種方法都做了探討。

靜態庫較適宜於較小的應用程式，因為它們只需要最小限度的函式。而對於需要多個庫的應用程式來說，則適合使用共享庫，因為它們可以減少應用程式對記憶體（包括執行時中的磁碟佔用和記憶體佔用）的佔用。這是因為多個應用程式可以同時使用一個共享庫；因此，每次只需要在記憶體上覆制一個庫。要是靜態庫的話，每一個執行的程式都要有一份庫的副本。

GNU/Linux 提供兩種處理共享庫的方法（每種方法都源於 Sun Solaris）。您可以動態地將程式和共享庫連結並讓 Linux 在執行時載入庫（如果它已經在記憶體中了，則無需再載入）。另外一種方法是使用一個稱為動態載入的過程，這樣程式可以有選擇地呼叫庫中的函式。使用動態載入過程，程式可以先載入一個特定的庫（已載入則不必），然後呼叫該庫中的某一特定函式（圖 2 展示了這兩種方法）。這是構建支援外掛的應用程式的一個普遍的方法。我稍候將在本文探討並示範該應用程式程式設計介面（API）。

圖 2. 靜態連結與動態連結

用 Linux 進行動態連結

現在，讓我們深入探討一下使用 Linux 中的動態連結的共享庫的過程。當用戶啟動一個應用程式時，它們正在呼叫一個可執行和連結格式（Executable and Linking Format，ELF）映像。核心首先將 ELF 映像載入到使用者空間虛擬記憶體中。然後核心會注意到一個稱為 .interp 的 ELF 部分，它指明瞭將要被使用的動態連結器（/lib/ld-linux.so），如清單 1 所示。這與 UNIX® 中的指令碼檔案的直譯器定義（#!/bin/sh）很相似：只是用在了不同的上下文中。

清單 1. 使用 readelf 來顯示程式標題

注意，ld-linux.so 本身就是一個 ELF 共享庫，但它是靜態編譯的並且不具備共享庫依賴項。當需要動態連結時，核心會引導動態連結（ELF 直譯器），該連結首先會初始化自身，然後載入指定的共享物件（已載入則不必）。接著它會執行必要的再定位，包括目標共享物件所使用的共享物件。LD_LIBRARY_PATH 環境變數定義查詢可用共享物件的位置。定義完成後，控制權會被傳回到初始程式以開始執行。

再定位是通過一個稱為 Global Offset Table（GOT）和 Procedure Linkage Table（PLT）的間接機制來處理的。這些表格提供了 ld-linux.so 在再定位過程中載入的外部函式和資料的地址。這意味著無需改動需要間接機制（即，使用這些表格）的程式碼：只需要調整這些表格。一旦進行載入，或者只要需要給定的函式，就可以發生再定位（稍候在 用 Linux 進行動態載入 小節中會看到更多的差別）。

再定位完成後，動態連結器就會允許任何載入的共享程式來執行可選的初始化程式碼。該函式允許庫來初始化內部資料並備之待用。這個程式碼是在上述 ELF 映像的 .init 部分中定義的。在解除安裝庫時，它還可以呼叫一個終止函式（定義為映像的 .fini 部分）。當初始化函式被呼叫時，動態連結器會把控制權轉讓給載入的原始映像。

用 Linux 進行動態載入

Linux 並不會自動為給定程式載入和連結庫，而是與應用程式本身共享該控制權。這個過程就稱為動態載入。使用動態載入，應用程式能夠先指定要載入的庫，然後將該庫作為一個可執行檔案來使用（即呼叫其中的函式）。但是正如您在前面所瞭解到的，用於動態載入的共享庫與標準共享庫（ELF 共享物件）無異。事實上，ld-linux 動態連結器作為 ELF 載入器和直譯器，仍然會參與到這個過程中。

動態載入（Dynamic Loading，DL）API 就是為了動態載入而存在的，它允許共享庫對使用者空間程式可用。儘管非常小，但是這個 API 提供了所有需要的東西，而且很多困難的工作是在後臺完成的。表 1 展示了這個完整的 API。

表 1. Dl API

該過程首先是呼叫 dlopen，提供要訪問的檔案物件和模式。呼叫 dlopen 的結果是稍候要使用的物件的控制代碼。mode 引數通知動態連結器何時執行再定位。有兩個可能的值。第一個是 RTLD_NOW，它表明動態連結器將會在呼叫 dlopen 時完成所有必要的再定位。第二個可選的模式是 RTLD_LAZY，它只在需要時執行再定位。這是通過在內部使用動態連結器重定向所有尚未再定位的請求來完成的。這樣，動態連結器就能夠在請求時知曉何時發生了新的引用，而且再定位可以正常進行。後面的呼叫無需重複再定位過程。

還可以選擇另外兩種模式，它們可以按位 OR 到 mode 引數中。RTLD_LOCAL 表明其他任何物件都無法使載入的共享物件的符號用於再定位過程。如果這正是您想要的的話（例如，為了讓共享的物件能夠呼叫原始程序映像中的符號），那就使用 RTLD_GLOBAL 吧。

dlopen 函式還會自動解析共享庫中的依賴項。這樣，如果您打開了一個依賴於其他共享庫的物件，它就會自動載入它們。函式返回一個控制代碼，該控制代碼用於後續的 API 呼叫。dlopen 的原型為：

有了 ELF 物件的控制代碼，就可以通過呼叫 dlsym 來識別這個物件內的符號的地址了。該函式採用一個符號名稱，如物件內的一個函式的名稱。返回值為物件符號的解析地址：

如果呼叫該 API 時發生了錯誤，可以使用 dlerror 函式返回一個表示此錯誤的人類可讀的字串。該函式沒有引數，它會在發生前面的錯誤時返回一個字串，在沒有錯誤發生時返回 NULL：

最後，如果無需再呼叫共享物件的話，應用程式可以呼叫 dlclose 來通知作業系統不再需要控制代碼和物件引用了。它完全是按引用來計數的，所以同一個共享物件的多個使用者相互間不會發生衝突（只要還有一個使用者在使用它，它就會待在記憶體中）。任何通過已關閉的物件的 dlsym 解析的符號都將不再可用。

動態載入示例

瞭解了 API 之後，下面讓我們來看一看 DL API 的例子。在這個應用程式中，您主要實現了一個 shell，它允許操作員來指定庫、函式和引數。換句話說，也就是使用者能夠指定一個庫並呼叫該庫（先前未連結於該應用程式的）內的任意一個函式。首先使用 DL API 來解析該庫中的函式，然後使用使用者定義的引數（用來發送結果）來呼叫它。清單 2 展示了完整的應用程式。

清單 2. 使用 DL API 的 Shell