linux动态库的种种要点

linux下使用动态库，基本用起来还是非常easy。但假设我们的程序中大量使用动态库来实现各种框架/插件，那么就会遇到一些坑，掌握这些坑才有利于程序更稳健地执行。

本篇先谈谈动态库符号方面的问题。

測试代码能够在github上找到

符号查找

一个应用程序test会链接一个动态库libdy.so，假设一个符号。比如函数callfn定义于libdy.so中，test要使用该函数，简单地声明就可以：

// dy.cpp libdy.so
void callfn() {
    ...
}

// main.cpp test
extern void callfn();

callfn();

在链接test的时候，链接器会统一进行检查。

相同，在libdy.so中有相同的规则，它能够使用一个外部的符号，在它被链接/加载进一个可运行程序时才会进行符号存在与否的检查。这个符号甚至能够定义在test中，形成一种双向依赖，或定义在其它动态库中：

// dy.cpp libdy.so
extern void mfunc();

mfunc();

// main.cpp test
void mfunc() {
    ...
}

在生成libdy.so时mfunc能够找不到，此时mfunc为没有定义：

$ nm libdy.so | grep mfun
U _Z5mfuncv

但在libdy.so被链接进test时则会进行检查，试着把mfunc函数的定义去掉，就会得到一个链接错误：

./libdy.so: undefined reference to `mfunc()'

相同。假设我们动态加载libdy.so，此时当然能够链接通过，可是在加载时相同得到找不到符号的错误：

#ifdef DY_LOAD
    void *dp = dlopen("./libdy.so", RTLD_LAZY);
    typedef void (*callfn)();
    callfn f = (callfn) dlsym(dp, "callfn");
    f();
    dlclose(dp);
#else
    callfn();
#endif

得到错误：

./test: symbol lookup error: ./libdy.so: undefined symbol: _Z5mfuncv

结论：基于以上，我们知道，假设一个动态库依赖了一些外部符号，这些外部符号能够位于其它动态库甚至应用程序中。

我们能够再链接这个动态库的时候就把依赖的其它库也链接上，或者推迟到链接应用程序时再链接。而动态载入的库，则要保证在载入该库时，进程中载入的其它动态库里已经存在该符号。

比如。通过LD_PRELOAD环境变量能够让一个进程先载入指定的动态库，上面那个动态载入启动失败的样例，能够通过预先载入包括mfunc符号的动态库解决：

$ LD_PRELOAD=libmfun.so ./test
...

可是假设这个符号存在于可运行程序中则不行：

$ nm test | grep mfunc
0000000000400a00 T _Z5mfuncv
$ nm test | grep mfunc
0000000000400a00 T _Z5mfuncv
$ ./test
...
./test: symbol lookup error: ./libdy.so: undefined symbol: _Z5mfuncv

符号覆盖

前面主要讲的是符号缺少的情况。假设同一个符号存在多分。则更能引发问题。这里谈到的符号都是全局符号。一个进程中某个全局符号始终是全局唯一的。为了保证这一点。在链接或动态加载动态库时。就会出现忽略反复符号的情况。

这里就不提同一个链接单位（如可运行程序、动态库）里符号反复的问题了

函数

当动态库和libdy.so可运行程序test中包括同名的函数时会如何？依据是否动态载入情况还有所不同。

当直接链接动态库时，libdy.so和test都会链接包括func函数的fun.o。为了区分。我把func依照条件编译得到不同的版本号：

// fun.cpp
#ifdef V2
extern "C" void func() {
    printf("func v2\n");
}
#else
extern "C" void func() {
    printf("func v1\n");
}
#endif

// Makefile
test: libdy obj.o mainfn
    g++ -g -Wall -c fun.cpp -o fun.o # 编译为fun.o
    g++ -g -Wall -c main.cpp #-DDY_LOAD
    g++ -g -Wall -o test main.o obj.o fun.o -ldl mfun.o -ldy -L.

libdy: obj
    g++ -Wall -fPIC -c fun.cpp -DV2 -o fun-dy.o  # 定义V2宏，编译为fun-dy.o
    g++ -Wall -fPIC -shared -o libdy.so dy.cpp -g obj.o fun-dy.o

这样，test中的func就会输出func v1；libdy.so中的func就会输出func v2。

test和libdy.o确实都有func符号：

$ nm libdy.so | grep func
0000000000000a60 T func

$nm test | grep func
0000000000400a80 T func

在test和libdy.so中都会调用func函数：

// main.cpp test
int main(int argc, char **argv) {
    func();
    ...
    callfn(); // 调用libdy.so中的函数
    ...
}

// dy.cpp libdy.so
extern "C" void callfn() {
    ...
    printf("callfn\n");
    func();
    ...
}

执行后发现。都调用的是同一个func：

$ ./test
...
func v1
...
callfn
func v1

结论，直接链接动态库时，整个程序执行的时候符号会发生覆盖，仅仅有一个符号被使用。在实践中，假设程序和链接的动态库都依赖了一个静态库，而后他们链接的这个静态库版本号不同，则非常有可能由于符号发生了覆盖而导致问题。(静态库同普通的.o性质一样，參考浅析静态库链接原理)

更复杂的情况中。多个动态库和程序都有同样的符号。情况也是一样。会发生符号覆盖。假设程序里没有这个符号，而多个动态库里有同样的符号，也会覆盖。

可是对于动态加载的情况则不同。相同的libdy.so我们在test中不链接，而是动态加载：

int main(int argc, char **argv) {
    func();
#ifdef DY_LOAD
    void *dp = dlopen("./libdy.so", RTLD_LAZY);
    typedef void (*callfn)();
    callfn f = (callfn) dlsym(dp, "callfn");
    f();
    func();
    dlclose(dp);
#else
    callfn();
#endif
    return 0;
}

执行得到：

$ ./test
func v1
...
callfn
func v2
func v1

都正确地调用到各自链接的func。

结论。实践中，动态加载的动态库通常会作为插件使用，那么其同程序链接不同版本号的静态库（同样符号不同实现），是没有问题的。

变量

变量本质上也是符号(symbol)，但其处理规则和函数还有点不一样(是不是有点想吐槽了)。

// object.h
class Object {
public:
    Object() {
#ifdef DF
        s = malloc(32);
        printf("s addr %p\n", s);
#endif
        printf("ctor %p\n", this);
    }

    ~Object() {
        printf("dtor %p\n", this);
#ifdef DF
        printf("s addr %p\n", s);
        free(s);
#endif
    }

    void *s;
};

extern Object g_obj;

我们的程序test和动态库libdy.so都会链接object.o。

首先測试test链接libdy.so，test和libdy.so中都会有g_obj这个符号：

// B g_obj 表示g_obj位于BSS段，未初始化段

$ nm test | grep g_obj
0000000000400a14 t _GLOBAL__I_g_obj
00000000006012c8 B g_obj
$ nm libdy.so | grep g_obj
000000000000097c t _GLOBAL__I_g_obj
0000000000200f30 B g_obj

执行：

$ ./test
ctor 0x6012c8
ctor 0x6012c8
...
dtor 0x6012c8
dtor 0x6012c8

g_obj被构造了两次，但地址一样。全局变量仅仅有一个实例，似乎在情理之中。

动态加载libdy.so，变量地址还是同样的：

$ ./test
ctor 0x6012a8
...
ctor 0x6012a8
...
dtor 0x6012a8
dtor 0x6012a8

结论，不同于函数，全局变量符号反复时。不论动态库是动态加载还是直接链接，变量始终仅仅有一个。

但诡异的情况是，对象被构造和析构了两次。构造两次倒无所谓，浪费点空间，可是析构两次就有问题。由于析构时都操作的是同一个对象。那么假设这个对象内部有分配的内存，那就会对这块内存造成double free，由于指针同样。打开DF宏实验下：

$ ./test
s addr 0x20de010
ctor 0x6012b8
s addr 0x20de040
ctor 0x6012b8
...
dtor 0x6012b8
s addr 0x20de040
dtor 0x6012b8
s addr 0x20de040

由于析构的两次都是同一个对象，所以其成员s指向的内存被释放了两次。从而产生了double free，让程序coredump了。

总结。全局变量符号反复时。始终会仅仅使用一个，而且会被初始化/释放两次，是一种较危急的情况，应当避免在使用动态库的过程中使用全局变量。

完

原文地址： http://codemacro.com/2014/11/04/linux-dynamic-library/

written by Kevin Lynx  posted at
http://codemacro.com