1. 介紹

        使用GNU的工具我們如何在Linux下建立自己的程式函式庫?一個“程式函式庫”簡單的說就是一個檔案包含了一些編譯好的程式碼和資料，這些編譯好的程式碼和資料可以在事後供其他的程式使用。程式函式庫可以使整個程式更加模組化，更容易重新編譯，而且更方便升級。  

程式函式庫可分為3種類型：靜態函式庫（static libraries）、共享函式庫（shared libraries）、動態載入函式庫（dynamically loaded libraries）： 

1、靜態函式庫

，是在程式執行前就加入到目標程式中去了；

2、共享函式庫，則是在程式啟動的時候載入到程式中，它可以被不同的程式共享；動態載入函式庫則可以在程式執行的任何時候動態的載入。

3、動態函式庫，並非另外一種庫函式格式，區別是動態載入函式庫是如何被程式設計師使用的。

 

2. 靜態函式庫

        靜態函式庫實際上就是簡單的一個普通的目標檔案的集合，一般來說習慣用“.a”作為檔案的字尾。可以用ar這個程式來產生靜態函式庫檔案。Ar是archiver的縮寫。靜態函式庫現在已經不在像以前用得那麼多了，主要是共享函式庫與之相比較有很多的優勢的原因。慢慢地，大家都喜歡使用共享函式庫了。不過，在一些場所靜態函式庫仍然在使用，一來是保持一些與以前某些程式的相容，二來它描述起來也比較簡單。 

        靜態庫函式允許程式設計師把程式link起來而不用重新編譯程式碼，節省了重新編譯程式碼的時間。不過，在今天這麼快速的計算機面前，一般的程式的重新編譯也花費不了多少時間，所以這個優勢已經不是像它以前那麼明顯了。靜態函式庫對開發者來說還是很有用的，例如你想把自己提供的函式給別人使用，但是又想對函式的原始碼進行保密，你就可以給別人提供一個靜態函式庫檔案。理論上說，使用ELF格式的靜態庫函式生成的程式碼可以比使用共享函式庫（或者動態函式庫）的程式執行速度上快一些，大概1－5％。 

建立一個靜態函式庫檔案，或者往一個已經存在地靜態函式庫檔案新增新的目的碼，可以用下面的命令： 

        ar rcs my_library.a file1.o file2.o 

這個例子中是把目的碼file1.o和file2.o加入到my_library.a這個函式庫檔案中，如果my_library.a不存在則建立一個新的檔案。在用ar命令建立靜態庫函式的時候，還有其他一些可以選擇的引數，可以參加ar的使用幫助。這裡不再贅述。

一旦你建立了一個靜態函式庫，你可以使用它了。你可以把它作為你編譯和連線過程中的一部分用來生成你的可執行程式碼。如果你用gcc來編譯產生可執行程式碼的話，你可以用“-l”引數來指定這個庫函式。你也可以用ld來做，使用它的“-l”和“-L”引數選項。具體用法可以參考info:gcc。 

 

3. 共享函式庫

共享函式庫中的函式是在當一個可執行程式在啟動的時候被載入。如果一個共享函式庫正常安裝，所有的程式在重新執行的時候都可以自動載入最新的函式庫中的函式。對於Linux系統還有更多可以實現的功能： 
        1、升級了函式庫但是仍然允許程式使用老版本的函式庫。
        2、當執行某個特定程式的時候可以覆蓋某個特定的庫或者庫中指定的函式。
        3、可以在庫函式被使用的過程中修改這些函式庫。

3.1. 一些約定
如果你要編寫的共享函式庫支援所有有用的特性，你在編寫的過程中必須遵循一系列約定。你必須理解庫的不同的名字間的區別，例如它的“soname”和“real name”之間的區別和它們是如何相互作用的。你同樣還要知道你應該把這些庫函式放在你檔案系統的什麼位置等等。下面我們具體看看這些問題。 

3.1.1. 共享庫的命名

每個共享函式庫都有個特殊的名字，稱作“soname”。soname名字命名必須以“lib”作為字首，然後是函式庫的名字，然後是“.so”，最後是版本號資訊。不過有個特例，就是非常底層的C庫函式都不是以lib開頭這樣命名的。
    每個共享函式庫都有一個真正的名字（“real name”），它是包含真正庫函式程式碼的檔案。真名有一個主版本號，和一個發行版本號。最後一個發行版本號是可選的，可以沒有。主版本號和發行版本號使你可以知道你到底是安裝了什麼版本的庫函式。另外，還有一個名字是編譯器編譯的時候需要的函式庫的名字，這個名字就是簡單的soname名字，而不包含任何版本號資訊。

管理共享函式庫的關鍵是區分好這些名字。當可執行程式需要在自己的程式中列出這些他們需要的共享庫函式的時候，它只要用soname就可以了；反過來，當你要建立一個新的共享函式庫的時候，你要指定一個特定的檔名，其中包含很細節的版本資訊。當你安裝一個新版本的函式庫的時候，你只要先將這些函式庫檔案拷貝到一些特定的目錄中，執行ldconfig這個實用就可以。ldconfig檢查已經存在的庫檔案，然後建立soname的符號連結到真正的函式庫，同時設定/etc/ld.so.cache這個緩衝檔案。這個我們稍後再討論。

ldconfig並不設定連結的名字，通常的做法是在安裝過程中完成這個連結名字的建立，一般來說這個符號連結就簡單的指向最新的soname或者最新版本的函式庫檔案。最好把這個符號連結指向soname，因為通常當你升級你的庫函式後，你就可以自動使用新版本的函式庫類。

我們來舉例看看：/usr/lib/libreadline.so.3 是一個完全的完整的soname，ldconfig可以設定一個符號連結到其他某個真正的函式庫檔案，例如是/usr/lib/libreadline.so.3.0。同時還必須有一個連結名字，例如 /usr/lib/libreadline.so就是一個符號連結指向/usr/lib/libreadline.so.3。

3.1.2. 檔案系統中函式庫檔案的位置

共享函式庫檔案必須放在一些特定的目錄裡，這樣通過系統的環境變數設定，應用程式才能正確的使用這些函式庫。大部分的原始碼開發的程式都遵循GNU的一些標準，我們可以看info幫助檔案獲得相信的說明，info資訊的位置是：info:standards#Directory_Variables。GNU標準建議所有的函式庫檔案都放在/usr/local/lib目錄下，而且建議命令可執行程式都放在/usr/local/bin目錄下。這都是一些習慣問題，可以改變的。 

檔案系統層次化標準FHS（Filesystem Hierarchy Standard）（http://www.pathname.com/fhs）規定了在一個發行包中大部分的函式庫檔案應該安裝到/usr/lib目錄下，但是如果某些庫是在系統啟動的時候要載入的，則放到/lib目錄下，而那些不是系統本身一部分的庫則放到/usr/local/lib下面。 

上面兩個路徑的不同並沒有本質的衝突。GNU提出的標準主要對於開發者開發原始碼的，而FHS的建議則是針對發行版本的路徑的。具體的位置資訊可以看/etc/ld.so.conf裡面的配置資訊。

3.2. 這些函式庫如何使用

在基於GNU glibc的系統裡，包括所有的linux系統，啟動一個ELF格式的二進位制可執行檔案會自動啟動和執行一個program loader。對於Linux系統，這個loader的名字是/lib/ld-linux.so.X（X是版本號）。這個loader啟動後，反過來就會load所有的其他本程式要使用的共享函式庫。

到底在哪些目錄裡查詢共享函式庫呢？這些定義預設的是放在/etc/ld.so.conf檔案裡面，我們可以修改這個檔案，加入我們自己的一些特殊的路徑要求。大多數RedHat系列的發行包的/etc/ld.so.conf檔案裡面不包括/usr/local/lib這個目錄，如果沒有這個目錄的話，我們可以修改/etc/ld.so.conf，自己手動加上這個條目。

如果你想覆蓋某個庫中的一些函式，用自己的函式替換它們，同時保留該庫中其他的函式的話，你可以在 /etc/ld.so.preload中加入你想要替換的庫（.o結尾的檔案），這些preloading的庫函式將有優先載入的權利。

當程式啟動的時候搜尋所有的目錄顯然會效率很低，於是Linux系統實際上用的是一個高速緩衝的做法。ldconfig預設情況下讀出/etc/ld.so.conf相關資訊，然後設定適當地符號連結，然後寫一個cache到 /etc/ld.so.cache這個檔案中，而這個/etc/ld.so.cache則可以被其他程式有效的使用了。這樣的做法可以大大提高訪問函式庫的速度。這就要求每次新增加一個動態載入的函式庫的時候，就要執行ldconfig來更新這個cache，如果要刪除某個函式庫，或者某個函式庫的路徑修改了，都要重新執行ldconfig來更新這個cache。通常的一些包管理器在安裝一個新的函式庫的時候就要執行ldconfig。 

另外，FreeBSD使用cache的檔案不一樣。FreeBSD的ELF cache是/var/run/ld-elf.so.hints，而a.out的cache則是/var/run/ld.so.hints。它們同樣是通過ldconfig來更新。

3.3. 環境變數

各種各樣的環境變數控制著一些關鍵的過程。例如你可以臨時為你特定的程式的一次執行指定一個不同的函式庫。Linux系統中，通常變數LD_LIBRARY_PATH就是可以用來指定函式庫查詢路徑的，而且這個路徑通常是在查詢標準的路徑之前查詢。這個是很有用的，特別是在除錯一個新的函式庫的時候，或者在特殊的場合使用一個非標準的函式庫的時候。環境變數LD_PRELOAD列出了所有共享函式庫中需要優先載入的庫檔案，功能和/etc/ld.so.preload類似。這些都是有/lib/ld-linux.so這個loader來實現的。值得一提的是，LD_LIBRARY_PATH可以在大部分的UNIX-linke系統下正常起作用，但是並非所有的系統下都可以使用，例如HP－UX系統下，就是用SHLIB_PATH這個變數，而在AIX下則使用LIBPATH這個變數。

LD_LIBRARY_PATH在開發和除錯過程中經常大量使用，但是不應該被一個普通使用者在安裝過程中被安裝程式修改，大家可以去參考http://www.visi.com/~barr/ldpath.html,這裡有一個文件專門介紹為什麼不使用LD_LIBRARY_PATH這個變數。

事實上還有更多的環境變數影響著程式的調入過程，它們的名字通常就是以LD_或者RTLD_打頭。大部分這些環境變數的使用的文件都是不全，通常搞得人頭昏眼花的，如果要真正弄清楚它們的用法，最好去讀loader的原始碼（也就是gcc的一部分）。

允許使用者控制動態連結函式庫將涉及到setuid/setgid這個函式，如果特殊的功能需要的話。因此，GNU loader通常限制或者忽略使用者對這些變數使用setuid和setgid。如果loader通過判斷程式的相關環境變數判斷程式的是否使用了setuid或者setgid，如果uid和euid不同，或者gid和egid部一樣，那麼loader就假定程式已經使用了setuid或者setgid，然後就大大的限制器控制這個老連結的許可權。如果閱讀GNU glibc的庫函式原始碼，就可以清楚地看到這一點。特別的我們可以看elf/rtld.c和sysdeps/generic/dl-sysdep.c這兩個檔案。這就意味著如果你使得uid和gid與euid和egid分別相等，然後呼叫一個程式，那麼這些變數就可以完全起效。

3.4. 建立一個共享函式庫

現在我們開始學習如何建立一個共享函式庫。其實建立一個共享函式庫非常容易。首先建立object檔案，這個檔案將加入通過gcc –fPIC引數命令加入到共享函式庫裡面。PIC的意思是“位置無關程式碼”（Position Independent Code）。下面是一個標準的格式：

        gcc -shared -Wl,-soname,your_soname -o library_name file_list library_list

下面再給一個例子，它建立兩個object檔案（a.o和b.o），然後建立一個包含a.o和b.o的共享函式庫。例子中”-g”和“－Wall”引數不是必須的。

        gcc -fPIC -g -c -Wall a.c

        gcc -fPIC -g -c -Wall b.c

        gcc -shared -Wl,-soname,liblusterstuff.so.1 -o liblusterstuff.so.1.0.1 a.o b.o -lc

下面是一些需要注意的地方：

不用使用-fomit-frame-pointer這個編譯引數除非你不得不這樣。雖然使用了這個引數獲得的函式庫仍然可以使用，但是這使得除錯程式幾乎沒有用，無法跟蹤除錯。

使用-fPIC來產生程式碼，而不是-fpic。

某些情況下，使用gcc 來生成object檔案，需要使用“-Wl,-export-dynamic”這個選項引數。 

通常，動態函式庫的符號表裡面包含了這些動態的物件的符號。這個選項在建立ELF格式的檔案時候，會將所有的符號加入到動態符號表中。可以參考ld的幫助獲得更詳細的說明。

3.5. 安裝和使用共享函式庫

一旦你定義了一個共享函式庫，你還需要安裝它。其實簡單的方法就是拷貝你的庫檔案到指定的標準的目錄（例如/usr/lib），然後執行ldconfig。

如果你沒有許可權去做這件事情，例如你不能修改/usr/lib目錄，那麼你就只好通過修改你的環境變數來實現這些函式庫的使用了。首先，你需要建立這些共享函式庫；然後，設定一些必須得符號連結，特別是從soname到真正的函式庫檔案的符號連結，簡單的方法就是執行ldconfig：

        ldconfig -n directory_with_shared_libraries 
然後你就可以設定你的LD_LIBRARY_PATH這個環境變數，它是一個以逗號分隔的路徑的集合，這個可以用來指明共享函式庫的搜尋路徑。例如，使用bash，就可以這樣來啟動一個程式my_program:

        LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH my_program

如果你需要的是過載部分函式，則你就需要建立一個包含需要過載的函式的object檔案，然後設定LD_PRELOAD環境變數。

通常你可以很方便的升級你的函式庫，如果某個API改變了，建立庫的程式會改變soname。然而，如果一個函式升級了某個函式庫而保持了原來的soname，你可以強行將老版本的函式庫拷貝到某個位置，然後重新命名這個檔案（例如使用原來的名字，然後後面加.orig字尾），然後建立一個小的“wrapper”指令碼來設定這個庫函式和相關的東西。例如下面的例子：

        #!/bin/sh export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/my_lib,$LD_LIBRARY_PATH

        exec /usr/bin/my_program.orig $*

我們可以通過執行ldd來看某個程式使用的共享函式庫。例如你可以看ls這個實用工具使用的函式庫：

        ldd /bin/ls

        libtermcap.so.2 => /lib/libtermcap.so.2 (0x4001c000)

        libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0x40020000)

        /lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)  
通常我麼可以看到一個soname的列表，包括路徑。在所有的情況下，你都至少可以看到兩個庫：

·                   /lib/ld-linux.so.N（N是1或者更大，一般至少2）。這是這個用於載入其他所有的共享庫的庫。

·                    libc.so.N(N應該大於或者等於6)。這是C語言函式庫。

值得一提的是，不要在對你不信任的程式執行ldd命令。在ldd的manual裡面寫得很清楚，ldd是通過設定某些特殊的環境變數（例如，對於ELF物件，設定LD_TRACE_LOADED_OBJECTS），然後執行這個程式。這樣就有可能使得某地程式可能使得ldd來執行某些意想不到的程式碼，而產生不安全的隱患。

3.6. 不相容的函式庫

如果一個新版的函式庫要和老版本的二進位制的庫不相容，則soname需要改變。對於C語言，一共有4個基本的理由使得它們在二進位制程式碼上很難相容：

一個函式的行文改變了，這樣它就可能與最開始的定義不相符合。

·          輸出的資料項改變了。

·          某些輸出的函式刪除了。

·          某些輸出函式的介面改變了。
    如果你能避免這些地方，你就可以保持你的函式庫在二進位制程式碼上的相容，或者說，你可以使得你的程式的應用二進位制介面（ABI：Application Binary Interface）上相容。

 

4. 動態載入的函式庫Dynamically Loaded (DL) Libraries

 

動態載入的函式庫Dynamically loaded (DL) libraries是一類函式庫，它可以在程式執行過程中的任何時間載入。它們特別適合在函式中載入一些模組和plugin擴充套件模組的場合，因為它可以在當程式需要某個plugin模組時才動態的載入。例如，Pluggable Authentication Modules(PAM)系統就是用動態載入函式庫來使得管理員可以配置和重新配置身份驗證資訊。

Linux系統下，DL函式庫與其他函式庫在格式上沒有特殊的區別，我們前面提到過，它們建立的時候是標準的object格式。主要的區別就是這些函式庫不是在程式連結的時候或者啟動的時候載入，而是通過一個API來開啟一個函式庫，尋找符號表，處理錯誤和關閉函式庫。通常C語言環境下，需要包含這個標頭檔案。 
        Linux中使用的函式和Solaris中一樣，都是dlpoen（） API。當然不是所有的平臺都使用同樣的介面，例如HP-UX使用shl_load()機制，而Windows平臺用另外的其他的呼叫介面。如果你的目的是使得你的程式碼有很強的移植性，你應該使用一些wrapping函式庫，這樣的wrapping函式庫隱藏不同的平臺的介面區別。一種方法是使用glibc函式庫中的對動態載入模組的支援，它使用一些潛在的動態載入函式庫介面使得它們可以誇平臺使用。具體可以參考http://developer.gnome.org/doc/API/glib/glib-dynamic-loading-of-modules.html. 另外一個方法是使用libltdl，是GNU libtool的一部分，可以進一步參考CORBA相關資料。  

4.1. dlopen()
dlopen函式開啟一個函式庫然後為後面的使用做準備。C語言原形是：

        void * dlopen(const char *filename, int flag);

如果檔名filename是以“/”開頭，也就是使用絕對路徑，那麼dlopne就直接使用它，而不去查詢某些環境變數或者系統設定的函式庫所在的目錄了。否則dlopen（）就會按照下面的次序查詢函式庫檔案：
       1. 環境變數LD_LIBRARY指明的路徑。

2. /etc/ld.so.cache中的函式庫列表。

3. /lib目錄，然後/usr/lib。不過一些很老的a.out的loader則是採用相反的次序，也就是先查 /usr/lib，然後是/lib。
    dlopen()函式中，引數flag的值必須是RTLD_LAZY或者RTLD_NOW，RTLD_LAZY的意思是resolve undefined symbols as code from the dynamic library is executed，而RTLD_NOW的含義是resolve all undefined symbols before dlopen() returns and fail if this cannot be done'。
    如果有好幾個函式庫，它們之間有一些依賴關係的話，例如X依賴Y，那麼你就要先載入那些被依賴的函式。例如先載入Y，然後載入X。

    dlopen（）函式的返回值是一個控制代碼，然後後面的函式就通過使用這個控制代碼來做進一步的操作。如果開啟失敗dlopen()就返回一個NULL。如果一個函式庫被多次開啟，它會返回同樣的控制代碼。 
    如果一個函式庫裡面有一個輸出的函式名字為_init,那麼_init就會在dlopen（）這個函式返回前被執行。我們可以利用這個函式在我的函式庫裡面做一些初始化的工作。我們後面會繼續討論這個問題的。  
4.2. dlerror()

通過呼叫dlerror()函式，我們可以獲得最後一次呼叫dlopen()，dlsym()，或者dlclose（）的錯誤資訊。 
4.3. dlsym()

如果你載入了一個DL函式庫而不去使用當然是不可能的了，使用一個DL函式庫的最主要的一個函式就是dlsym()，這個函式在一個已經開啟的函式庫裡面查詢給定的符號。這個函式如下定義：

        void * dlsym(void *handle, char *symbol);

函式中的引數handle就是由dlopen開啟後返回的控制代碼，symbol是一個以NIL結尾的字串。如果dlsym()函式沒有找到需要查詢的symbol，則返回NULL。如果你知道某個symbol的值不可能是NULL或者0，那麼就很好，你就可以根據這個返回結果判斷查詢的symbol是否存在了；不過，如果某個symbol的值就是NULL，那麼這個判斷就有問題了。標準的判斷方法是先呼叫dlerror()，清除以前可能存在的錯誤，然後呼叫dlsym（）來訪問一個symbol，然後再呼叫dlerror（）來判斷是否出現了錯誤。一個典型的過程如下：

	dlerror();		/*clear error code */
	s = (actual_type)dlsym(handle, symbol_being_searched_for);
	if((error = dlerror()) != NULL){
		/* handle error, the symbol wasn't found */
	} else {
		/* symbol found, its value is in s */
	}

4.4. dlclose()

dlopen()函式的反過程就是dlclose（）函式，dlclose（）函式用力關閉一個DL函式庫。Dl函式庫維持一個資源利用的計數器，當呼叫dlclose的時候，就把這個計數器的計數減一，如果計數器為0，則真正的釋放掉。真正釋放的時候，如果函式庫裡面有_fini()這個函式，則自動呼叫_fini（）這個函式，做一些必要的處理。Dlclose（）返回0表示成功，其他非0值表示錯誤。

4.5. DL Library Example

下面是一個例子。例子中調入math函式庫，然後列印2.0的餘弦函式值。例子中每次都檢查是否出錯。應該是個不錯的範例：

int main(int argc, char *argv){
		void *handle;
		char *error;
		
		double (*cosine )(double);
		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", (*cosine)(2, 0));
		
		dlclose(handle);
		
		return 0;
}

如果這個程式名字叫foo.c,那麼用下面的命令來編譯：

        gcc -o foo foo.c –ldl

 

 

參考推薦：

Linux動態連結庫.so檔案的建立與使用

Linux動態庫(.so)搜尋路徑

Linux 動態庫與靜態庫製作及使用詳解

 

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