1. 背景

在java中,jvm支持类的动态链接(Class.forName(String className)),用起来也很方便。动态链接是实现IOC(Inversion of Control,控制反转,更形象的称作依赖注入)的关键,用于将类间依赖从程序移到配置文件中。在框架不重新编译的情况下,替换被依赖的类。

在linux下,C++只能通过C的dl API实现动态链接,需要先将动态链接库编译成.so,然后再调用API进行链接。下面看一下如何实现动态链接C++类。和java实现IOC一样,链接类需要依赖于接口,先定义一下框架需要依赖的接口部分:

class UserInterface {
public:
virtual bool func() = 0;
};

动态链接库实现部分继承这个接口,进行实现。

class ConcretInterface: public UserInterface {
public:
virtual bool func() {
printf("A implementition of UserInterface");
}
};

2. dl API

先介绍dl API部分,这些函数需要连接dl动态库,-ldl:

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

用于打开.so,并进行链接,返回链接后的handle。flag表示链接标志:

RTLD_LAZY:延迟加载,在.so中第一次使用某个符号是再进行链接。只对函数符号有效,变量符号会被立即加载。

RTLD_NOW:在dlopen返回后,所有未定义的符号都需要进行链接,如果符号解析失败,dlopen会返回失败。

RTLD_GLOBAL:使用这个标志,则这个库中的符号可以被随后的动态库使用。

RTLD_LOCAL:与RTLD_GLOBAL相反,不可以以被随后动态库使用。

char *dlerror(void);

返回dl相关错误,如果从初始化或者上一次调用到目前为止没有错误则返回NULL。

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

返回符号名为symbol的符号的地址,需要用到dlopen返回的动态链接库的handle。需要使用dlerror来检验dlsym是否出错,不能进通过返回的指针是否为NULL判断是否出错,因为符号地址为NULL属于正常情况。

int dlclose(void *handle);

减少.so的引用计数,如果引用计数为0,则.so会被卸载。

3. 类加载实现

通过上面dl API可知,只能返回动态链接库中的符号的地址,这个符号函数符号或者是变量符号,不能像java一样直接返回一个类。而我们在动态链接类时,实际上只是需要这个类的实例对象,所以可以通过返回创建类对象的函数符号实现类的连接。由于在C++中,可以对new操作符重载,进行其他的一些操作,分配资源等,此时调用delete释放对象,会造成资源泄露。所以为了支持重载new操作符,还需要释放对象的函数。定义如下:

typedef bool (*user_interface_creator_t)(UserInterface **ui);
typedef void (*user_interface_destroyer_t)(UserInterface *ui);

上面定义了两个函数指针,分别是链接类的创建器和销毁器。动态链接库需要实现这两个函数,从而是框架可以创建和销毁对象。如果默认不支持new操作重载,可以去掉destroyer,简化接口。

还有一点比较重要,由于C++支持了命名空间、类以及重载等机制,所以符号的命名规则和C不同。而dl API属于C的部分,使用的C的命名规则,所以在实现上述两个函数时(也就是说需要通过动态链接的C++函数)需要使用C的符号命名规则。这需要实现extern 'C'实现,具体如下:

extern 'C' {

bool my_creator(UserInterface **ui)
{
if (NULL == ui) {
printf("invalid param");
return false;
} *ui = new (std::nothrow) ConcrectInterface;
return true;
} void my_destroyer(UserInterface *ui)
{
if (ui != NULL) {
delete ui;
}
} };

my_creator和my_destroyer就是动态链接库对接口的实现,可以通过函数名调用dlsym找到对应的地址,完成对象的创建和销毁。下面,介绍一下框架,也就是动态链接的部分。

#include <dlfcn.h>
#include <stdio.h> #include "user_interface.hpp" const char *so_path = "./user_impl.so";
const char *creat_func = "my_creator";
const char *destroy_func = "my_destroyer"; int main ()
{
// load .so
void *handle = dlopen(so_path, RTLD_LAZY);
if (NULL == handle) {
printf("failed to open %s, error: %s", so_path,
dlerror());
return 1;
} // reset errors
dlerror(); user_interface_creator_t creator =
(user_interface_creator_t)dlsym(handle, creat_func);
const char* err = dlerror();
if (err != NULL) {
printf("failed to load creator, error: %s", err);
return 1;
} // reset errors
dlerror(); user_interface_destroyer_t destroyer =
(user_interface_destroyer_t)dlsym(handle, destroy_func);
err = dlerror();
if (err != NULL) {
printf("failed to load destroyer, error: %s", err);
return 1;
} UserInterface *ui;
if (!(*creator)(&ui)) {
printf("failed to creat ui");
return 1;
}
ui->func(); (*destroyer)(ui); dlclose(handle);
}

这里需要注意每次调用dl API函数后需要调用dlerror清除error状态。

4. 坑

如果动态链接库和可执行程序依赖同一个库,比如依赖同一个日志库,在编译动态链接库和可执行程序时需要注意一下。要确保对于库的符号引用的解析会指向同一个符号。具体做法:

(1)编译.so时,不链接依赖的库,对于库的符号的引用都是undefined。
(2)可执行程序需要链接依赖的库,并且要指定链接选项-rdynamic,将全局符号可以用于动态链接库的符号引用的解析。

如果没有做到以上两点,会出现同一个符号引用会被解析到两个符号,若符号依赖的是一个变量的符号(比如符号本身就是一个变量,或者是函数符号,但依赖于某个变量),那么就会出现个别古怪、异常的现象。

对于.so依赖一个库,但是可执行程序没有依赖,那么编译.so时必须把这个库链接,否则会出现undefined symbol。

再介绍下调试动态链接库时用到的工具,因为经常会出现各种未定义的符号,所以需要查看.so或者可执行程序的符号信息,可以使用nm,比如,类型U或者类型T的符号。还可以使用c++filt将符号名解析成可读的字符串。

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