进程环境之共享库以及如何区分静态库、共享库和动态加载库

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现在，大多数UNIX系统支持共享库。共享库使得可执行文件中不再需要包含公用的库例程，而只需在所有进程都可引用的存储区中维护这种库例程的一个副本。程序第一次执行或者第一次调用某个库函数时，用动态链接方法将程序与共享库函数相链接。这减少了每个可执行文件的长度，但增加了一些运行时间开销。这种时间开销发生在该程序第一次被执行时，或者每个共享库函数第一次被调用时。共享库的另一个优点是可以用库函数的新版本替代老版本，而无需对使用该库的程序重新连接编辑。（假定参数的数目和类型都没有发生改变。）

在不同的系统中，程序可能使用不同的方法说明是否要使用共享库。比较典型的有cc（1）和ld（1）命令的选项。作为长度方面发生变化的例子，先用无共享库方式创建下列可执行文件（经典的hello.c程序）：

[root@localhost apue]# cc -static hello.c        阻止gcc使用共享库
[root@localhost apue]# ls -l a.out
-rwxr-xr-x 1 root root 518848 Jan  6 17:11 a.out
[root@localhost apue]# size a.out
   text    data     bss     dec     hex filename
 460048    1928    6888  468864   72780 a.out
如果编译此程序以使用共享库，则可执行文件的正文和数据段的长度都会显著减小：
[root@localhost apue]# cc hello.c        gcc默认使用共享库
[root@localhost apue]# ls -l a.out
-rwxr-xr-x 1 root root 4725 Jan  6 17:11 a.out
[root@localhost apue]# size a.out
   text    data     bss     dec     hex filename
    878     252       8    1138     472 a.out

以下内容转自：http://bbs.chinaunix.net/thread-2037617-1-1.html

通常库分为：静态库,共享库，动态加载库。下面分别介绍。
一、静态库：
1.概念：
静态库就是一些目标文件的集合，以.a结尾。静态库在程序链接的时候使用，链接器会将程序中使用 到函数的代码从库文件中拷贝到应用程序中。一旦链接完成，在执行程序的时候就不需要静态库了。 由于每个使用静态库的应用程序都需要拷贝所用函数的代码，所以静态链接的文件会比较大。
2.创建与应用:
首先创建库文件libhello.c
#include
void hello()
printf("hello, welcome to library world!\n");
创建头文件libhello.h
void hello();
现在我们创建libhello静态库文件:
$ gcc -c libhello -o libhello.o
$ ar rcs libhello.a libhello.o
其中ar中的rcs的意思是： r表明将模块加入到静态库中，c表示创建静态库，s表示生产索引。
我们写一个测试程序:
$ cat test.c
#include
int main(void)
printf("use library hello.\n");
hello();
return 0;
编译与链接：
$ gcc -c test.c -o test.o
$ gcc test.o -L. -lhello -o test
说明：-L.表示将当前目录加入到库搜索路径。默认的库搜索路径在/usr/lib目录下。另外这里说明一下易混淆的参数-I, 它表示搜索头文件的路径。这样gcc在查找头文件的时候会首先到-I指定的目录查找，然后才是系统默认目录。
-l参数: -lname表示库搜索目录下的libname.a 或者libname.so文件 ,这也是为什么库文件都以lib开头的原因之一。一个惯例嘛。当然了，如果你的库文件不是
libhello,而是hello. 那就不能用-l参数编译了。可以这样：
gcc test.o -L. hello.a -o test
注意: $gcc -L. -lhello test.o -o test 会出错！。
原因是: -l是链接器选项，必须要放到被编译文件的后面。所以上面的命令中-lhello一定要放到 test.o的后面。
$ ./test
use library hello.
hello, welcome to library world!
二、共享库:
1、共享库的概念：
共享库以.so结尾. (so == share object) 在程序的链接时候并不像静态库那样在拷贝 使用函数的代码，而只是作些标记。然后在程序开始启动运行的时候，动态地加载所需模块。所以， 应用程序在运行的时候仍然需要共享库的支持。共享库链接出来的文件比静态库要小得多。
2、共享库的命名
一般一个共享库的有三个名字：soname, real-name, linker-name。下面先看实例:
$ ls -l /usr/lib/libncurses*
lrwxrwxrwx 1 root root    20 2008-05-25 13:54 libncurses.so -> /lib/libncurses.so.5
lrwxrwxrwx 1 root root    13 2008-05-26 15:18 libncurses.so.5 -> libtermcap.so
上面的libncurses.so.5就是soname, 其中ncurses是库名，5分别是主版本号(major)，当然也可以有次版本号(minor)和发行号(release)。(类似于libncurses.so.5.0.0)
.so当然表示共享库了。通常soname只是real name的一个链接。
而libtermcap.so 这是ncurse库的real-name, 也就是包含真是代码实现的文件.
libncurses.so 则是linker name,用于应用程序链接的时候的一个搜索名。它通常是soname的一个链接,形式为libname.so
3、共享库的装载
(1) 在所有基于GNU glibc的系统(当然包括Linux)中，在启动一个ELF二进制执行程序时，一个特殊的程序"程序装载器"会被自动装载并运行。在linux中，这个程序装载器就是/lib/ld-linux.so.X(X是版本号)。它会查找并装载应用程序所依赖的所有共享库。被搜索的目录保存在/etc/ld.so.conf文件中，但一般/usr/local/lib并不在搜索之列，至少debian/ubuntu是这样。这似乎是一个系统失误，只好自己加上了。当然，如果程序的每次启动，都要去搜索一番，势必效率不堪忍受。Linux系统已经考虑这一点，对共享库采用了缓存管理。ldconfig就是实现这一功能的工具，其缺省读取/etc/ld.so.conf文件，对所有共享库按照一定规范建立符号连接，然后将信息写入/etc/ld.so.cache。/etc/ld.so.cache的存在大大加快了程序的启动速度。
(2) 当然你也可以通过设置环境变量LD_LIBRARY_PATH来设置ld的装载路径。这样装载器就会首先搜索该变量的目录，然后才是默认目录。但是记住，LD_LIBRARY_PATH是用于开发和测试的，你可以将一些用于测试的替代共享库的目录放到该变量中，类似于/etc/ld.so.preload的作用。但是该变量不应该用于正常用户的正常程序。
(3) 如果你不使用LD_LIBRARY_PATH环境变量，可以通过如下方式给装载器传入路径:
$ /lib/ld-linux.so.2 --library-path PATH EXECUTABLE
4、共享库的创建与应用
(1) 创建共享库:
gcc -fpic/fPIC -c source.c -o source.o
gcc -shared -Wl,-soname,your_soname -o library_name file_list library_list
说明:  -fpic或者-fPIC表明创建position independent code，这通常是创建共享库必须的。
-Wl 表明给链接器传送参数，所以这里-soname, library_name 为给链接器的参数。
-shared 表明是使用共享库
下面是使用a.c和b.c创建共享库的示例：
gcc -fPIC -g -c -Wall a.c
gcc -fPIC -g -c -Wall b.c
gcc -shared -Wl,-soname, libmyab.so.1 -o libmyab.so.1.0.1 a.o b.o -lc
说明: lc == libc
几个需要注意的地方：
a.不推荐使用strip处理共享库，最好不要使用-fomit-frame-pointer编译选项
b.-fPIC和-fpic都可以产生目标独立代码，具体应用取决于平台，-fPIC是always work，
尽管其产生的目标文件可能会大些； -fpic产生的代码小，执行速度快，但可能有平台依赖限制。
c.一般情况下，-Wall,-soname,your_soname编译选项是需要的。当然，-share选项更不能丢。
(2) 安装使用共享库
一旦你创建好共享库后就需要安装使用了，最简单的办法是将库拷贝到默认目录下(/usr/lib)。
然后创建一些符号链接，最简单的方式还是使用ldconfig(8)来处理这里符号链接。最后是重新
编译链接你的程序,通过-L和-l参数指定库路径就可以了。
三、动态加载库
1. 概念
动态加载库(dynamically loaded (DL) libraries)是指在程序运行过程中可以加载的函数库。 而不是像共享库一样在程序启动的时候加载。DL对于实现插件和模块非常有用，因为他们可以让程序 在允许时等待插件的加载。在Linux中，动态库的文件格式跟共享库没有区别，主要区别在于共享库是运行时加载。
有专门的一组API用于完成打开动态库，查找符号，处理出错，关闭动态库等功能。
下面对这些接口函数逐一介绍:
(1) dlopen
函数原型：void *dlopen(const char *libname,int flag);
功能描述：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一般是库的全路径，这样dlopen会直接装载该文件；如果只是指定了库名称，在dlopen会按照下面的机制去搜寻：
a.根据环境变量LD_LIBRARY_PATH查找
b.根据/etc/ld.so.cache查找
c.查找依次在/lib和/usr/lib目录查找。
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
函数原型：char *dlerror(void);
功能描述：dlerror可以获得最近一次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
函数原型：void *dlsym(void *handle,const char *symbol);
功能描述：在dlopen之后，库被装载到内存。dlsym可以获得指定函数(symbol)在内存中的位置(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
函数原型：int dlclose(void *);
功能描述：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，则在dlclose之后，析构函数会被调用。
2. 使用实例
$cat dltest.c
#include
#include
#include
int main(int argc, char **argv)
void *handle;
double (*cosine)(double);
char *error;
handle = dlopen ("/lib/libm.so.6", RTLD_LAZY);
if (!handle) {
fputs (dlerror(), stderr);
exit(1);
cosine = dlsym(handle, "cos");
if ((error = dlerror()) != NULL)  {
fputs(error, stderr);
exit(1);
printf ("%f\n", (*cosine)(2.0));
dlclose(handle);
return 0;
编译: $ gcc -o dltest dltest.c -ldl -Wall
运行: $ ./dltest
-0.416147
(1) nm命令可以查可能一个库中的符号

本篇博文内容摘自《UNIX环境高级编程》（第二版），仅作个人学习记录所用。关于本书可参考： http://www.apuebook.com/ 。