Linux中的库

一、基本概念

1.1、什么是库

       在 windows 平台和 linux 平台下都大量存在着库。

本质上来说库是一种可执行的二进制代码(但不可以独立执行)，可以被操作系统载入内存执行。

由于 windows 和 linux 的平台不同（主要是编译器、汇编器和连接器 的不同），因此二者库的二进制是不兼容的。

本文仅限于介绍 linux 下的库。

1.2、 库的种类

linux下的库有两种：静态库和共享库（动态库）。

二者的不同点在于代码被载入的时刻不同：

静态库的代码在编译过程中已经被载入可执行程序，因此生成的可执行程序体积较大。静态用.a为后缀， 例如： libhello.a

共享库(动态库)的代码是在可执行程序运行时才载入内存的，在编译过程中仅简单的引用，因此生成的可执行程序代码体积较小。

动态通常用.so为后缀， 例如：libhello.so

共享库(动态库)的好处是:: 不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例。

为了在同一系统中使用不同版本的库，可以在库文件名后加上版本号为后缀,例如： libhello.so.1.0,由于程序连接默认以.so为文件后缀名。所以为了使用这些库，通常使用建立符号连接的方式。

ln -s libhello.so.1.0 libhello.so.1

ln -s libhello.so.1 libhello.so

1.3、静态库，动态库文件在linux下是如何生成的：

以下面的代码为例，生成上面用到的hello库：

/* hello.c */  

#include "hello.h"  

void sayhello()  

{      

    printf("hello,world ");  

}

首先用gcc编绎该文件，在编绎时可以使用任何合法的编绎参数，例如-g加入调试代码等：

gcc -c hello.c -o hello.o

1、生成静态库 生成静态库使用ar工具，其实ar是archive的意思

ar cqs libhello.a hello.o

2、生成动态库 用gcc来完成，由于可能存在多个版本，因此通常指定版本号：

gcc -shared -o libhello.so.1.0 hello.o

1.4、库文件是如何命名的，有没有什么规范： 

在 linux 下，库文件一般放在/usr/lib和/lib下， 

静态库的名字一般为libxxxx.a，其中 xxxx 是该lib的名称；

动态库的名字一般为libxxxx.so.major.minor，xxxx 是该lib的名称，major是主版本号，minor是副版本号

1.5、可执行程序在执行的时候如何定位共享库(动态库)文件 ：

    当系统加载可执行代码(即库文件)的时候，能够知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道绝对路径，此时就需要系统动态载入器 (dynamic linker/loader) 

    对于 elf 格式的可执行程序，是由 ld-linux.so* 来完成的，它先后搜索 elf 文件的 DT_RPATH 段-->环境变量LD_LIBRARY_PATH—->/etc/ld.so.cache 文件列表--> /lib/,/usr/lib 目录找到库文件后将其载入内存

    如： export LD_LIBRARY_PATH=’pwd’      将当前文件目录添加为共享目录。

1.6、使用ldd工具，查看可执行程序依赖那些动态库或着动态库依赖于那些动态库：

ldd 命令可以查看一个可执行程序依赖的共享库， 

    例如 # ldd /bin/lnlibc.so.6 

        => /lib/libc.so.6 (0×40021000)/lib/ld-linux.so.2 

        => /lib/ld- linux.so.2 (0×40000000) 

   可以看到 ln 命令依赖于 libc 库和 ld-linux 库 

1.7、使用nm工具，查看静态库和动态库中有那些函数名；

（T类表示函数是当前库中定义的，U类表示函数是被调用的，在其它库中定义的，W类是当前库中定义，被其它库中的函数覆盖）。：

    有时候可能需要查看一个库中到底有哪些函数，nm工具可以打印出库中的涉及到的所有符号，这里的库既可以是静态的也可以是动态的。

nm列出的符号有很多， 常见的有三种::

T类：是在库中定义的函数，用T表示，这是最常见的；

U类：是在库中被调用，但并没有在库中定义(表明需要其他库支持)，用U表示；

W类：是所谓的“弱态”符号，它们虽然在库中被定义，但是可能被其他库中的同名符号覆盖，用W表示。

例如，假设开发者希望知道上文提到的hello库中是否引用了 printf():

   nm libhello.so | grep printf 

发现printf是U类符号，说明printf被引用，但是并没有在库中定义。

由此可以推断，要正常使用hello库，必须有其它库支持，使用ldd工具查看hello依赖于哪些库：

ldd libhello.so

libc.so.6=>/lib/libc.so.6(0x400la000)

/lib/ld-linux.so.2=>/lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)

从上面的结果可以继续查看printf最终在哪里被定义，有兴趣可以go on

1.8、使用ar工具，可以生成静态库，同时可以查看静态库中包含那些.o文件，即有那些源文件构成。

可以使用 ar -t libname.a 来查看一个静态库由那些.o文件构成。

可以使用 ar q libname.a xxx1.o xxx2.o xxx3.o ... xxxn.o 生成静态库

1.9、如何查看动态库和静态库是32位，还是64位下的库：

如果是动态库，可以使用file *.so；

如果是静态哭，可以使用objdump -x *.a

Linux下进行程序设计时，关于库的使用:

一、gcc/g++命令中关于库的参数:     -shared： 该选项指定生成动态连接库；     -fPIC：表示编译为位置独立(地址无关)的代码，不用此选项的话，编译后的代码是位置相关的，所以动态载入时，是通过代码拷贝的方式来满足不同进程的需要，而不能达到真正代码段共享的目的。     -L：指定链接库的路径，-L. 表示要连接的库在当前目录中     -ltest：指定链接库的名称为test，编译器查找动态连接库时有隐含的命名规则，即在给出的名字前面加上lib，后面加上.so来确定库的名称

    -Wl,-rpath: 记录以来so文件的路径信息。     LD_LIBRARY_PATH：这个环境变量指示动态连接器可以装载动态库的路径。      当然如果有root权限的话，可以修改/etc/ld.so.conf文件，然后调用 /sbin/ldconfig来达到同样的目的，

     不过如果没有root权限，那么只能采用修改LD_LIBRARY_PATH环境变量的方法了。 

调用动态库的时候，有几个问题会经常碰到:

    1、有时，明明已经将库的头文件所在目录 通过 “-I” include进来了，库所在文件通过 “-L”参数引导，并指定了“-l”的库名，但通过ldd命令察看时，就是死活找不到你指定链接的so文件，这时你要作的就是通过修改 LD_LIBRARY_PATH或者/etc/ld.so.conf文件来指定动态库的目录。通常这样做就可以解决库无法链接的问题了。

二、静态库链接时搜索路径的顺序：     1. ld会去找gcc/g++命令中的参数-L；    2. 再找gcc的环境变量LIBRARY_PATH,它指定程序静态链接库文件搜索路径；

      export LIBRARY_PATH=$LIBRARY_PATH:data/home/billchen/lib     3. 再找默认库目录 /lib  /usr/lib  /usr/local/lib，这是当初compile gcc时写在程序内的。 

三、动态链接时、执行时搜索路径顺序:      1. 编译目标代码时指定的动态库搜索路径；

    2. 环境变量LD_LIBRARY_PATH指定动态库搜索路径，它指定程序动态链接库文件搜索路径；

      export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:data/home/billchen/lib      3. 配置文件/etc/ld.so.conf中指定的动态库搜索路径；     4. 默认的动态库搜索路径/lib；     5. 默认的动态库搜索路径/usr/lib。 

四、静态库和动态链接库同时存在时，gcc/g++默认链接的是动态库：

    当一个库同时存在静态库和动态库时，比如libmysqlclient.a和libmysqlclient.so同时存在时：

    在Linux下，动态库和静态库同事存在时，gcc/g++的链接程序，默认链接的动态库。

    可以使用下面的方法，给连接器ld传递参数，看是否链接动态库还是静态库。
    -Wl,-Bstatic -llibname        //指定让gcc/g++链接静态库    使用:    gcc/g++ test.c -o test -Wl,-Bstatic -llibname -Wl,-Bdynamic -lm -lc 
    -Wl,-Bdynamic -llibname       //指定让gcc/g++链接动态库    使用:    gcc/g++ test.c -o test -Wl,-Bdynamic -llibname

   如果要完全静态加在，使用-static参数，即将所有的库以静态的方式链入可执行程序，这样生成的可执行程序，不再依赖任何库，同事出现的问题是，这样编译出来的程序非常大，占用空间。

如果不适用-Wl,-Bdynamic -lm -c会有如下错误：

[chenbaihu@build17 lib]$ ls libtest.a  libtest.so  t  t.cc  test.cc  test.h  test.o [chenbaihu@build17 lib]$ g++ -Wall -g t.cc -o t -L./ -Wl,-Bstatic -ltest -Wl,-Bdynamic -lm -lc [chenbaihu@build17 lib]$ g++ -Wall -g t.cc -o t -L./ -Wl,-Bstatic -ltest  /usr/bin/ld: cannot find -lm collect2: ld 返回 1

参考：

http://lists.gnu.org/archive/html/help-gnu-utils/2004-03/msg00009.html

五、有关环境变量：      LIBRARY_PATH环境变量：指定程序静态链接库文件搜索路径     LD_LIBRARY_PATH环境变量：指定程序动态链接库文件搜索路径 

六、库的依赖问题：

   比如我们有一个基础库libbase.a,还有一个依赖libbase.a编译的库，叫做libchild.a；在我们编译程序时，一定要先-lchild再-lbase。 如果使用 -lbase -lchild，在编译时将出现一些函数undefined，而这些函数实际上已经在base中已经定义；

   为什么会有库的依赖问题？    一、静态库解析符号引用：       链接器ld是如何使用静态库来解析引用的。在符号解析阶段，链接器从左至右，依次扫描可重定位目标文件（*.o）和静态库（*.a）。    在这个过程中，链接器将维持三个集合：    集合E：可重定位目标文件(*.o文件)的集合。    集合U：未解析(未定义)的符号集，即符号表中UNDEF的符号。    集合D： 已定义的符号集。    初始情况下，E、U、D均为空。    1、对于每个输入文件f，如果是目标文件(.o)，则将f加入E，并用f中的符号表修改U、D(在文件f中定义实现的符号是D，在f中引用的符号是U)，然后继续下个文件。    2、如果f是一个静态库(.a)，那么链接器将尝试匹配U中未解析符号与静态库成员(静态库的成员就是.o文件)定义的符号。如果静态库中某个成员m(某个.o文件)定义了一个符号来解析U中引用，那么将m加入E中，    同时使用m的符号表，来更新U、D。对静态库中所有成员目标文件反复进行该过程，直至U和D不再发生变化。此时，静态库f中任何不包含在E中的成员目标文件都将丢弃，链接器将继续下一个文件。    3、当所有输入文件完成后，如果U非空，链接器则会报错，否则合并和重定位E中目标文件，构建出可执行文件。  到这里，为什么会有库的依赖问题已经得到解答：  因为libchild.a依赖于libbase.a，但是libbase.a在libchild.a的左边，导致libbase.a中的目标文件(*.o)根本就没有被加载到E中，所以解决方法就是交换两者的顺序。当然也可以使用-lbase -lchild -lbase的方法。

参考文章：http://pananq.com/index.php/page/3/

七、动态库升级问题：

   在动态链接库升级时，    不能使用cp newlib.so oldlib.so，这样有可能会使程序core掉；    而应该使用:    rm oldlib.so 然后 cp newlib.so oldlib.so    或者     mv oldlib.so oldlib.so_bak 然后 cp newlib.so oldlib.so

为什么不能用cp newlib.so oldlib.so ?

在替换so文件时，如果在不停程序的情况下，直接用 cp new.so old.so 的方式替换程序使用的动态库文件会导致正在运行中的程序崩溃。

解决方法:

解决的办法是采用“rm＋cp” 或“mv＋cp” 来替代直接“cp” 的操作方法。

linux系统的动态库有两种使用方法：运行时动态链接库，动态加载库并在程序控制之下使用。

1、为什么在不停程序的情况下，直接用 cp 命令替换程序使用的 so 文件，会使程序崩溃？ 很多同学在工作中遇到过这样一个问题，在替换 so 文件时，如果在不停程序的情况下，直接用cp new.so old.so的方式替换程序使用的动态库文件会导致正在运行中的程序崩溃，退出。

这与 cp 命令的实现有关，cp 并不改变目标文件的 inode，cp 的目标文件会继承被覆盖文件的属性而非源文件。实际上它是这样实现的： strace cp libnew.so libold.so 2>&1 |grep open.*lib.*.so open("libnew.so", O_RDONLY|O_LARGEFILE) = 3 open("libold.so", O_WRONLY|O_TRUNC|O_LARGEFILE) = 4 在 cp 使用“O_WRONLY|O_TRUNC” 打开目标文件时，原 so 文件的镜像被意外的破坏了。这样动态链接器 ld.so 不能访问到 so 文件中的函数入口。从而导致 Segmentation fault，程序崩溃。ld.so 加载 so 文件及“再定位”的机制比较复杂。

2、怎样在不停止程序的情况下替换so文件，并且保证程序不会崩溃？ 答案是采用“rm＋cp” 或“mv＋cp” 来替代直接“cp” 的操作方法。

在用新的so文件 libnew.so 替换旧的so文件 libold.so 时，如果采用如下方法： rm libold.so //如果内核正在使用libold.so，那么inode节点不会立刻别删除掉。 cp libnew.so libold.so 采用这种方法，目标文件 libold.so 的 inode 其实已经改变了，原来的 libold.so 文件虽然不能用"ls"查看到，但其inode并没有被真正删除，直到内核释放对它的引用。

（即: rm libold.so，此时，如果ld.so正在加在libold.so，内核就在引用libold.so的inode节点，rm libold.so的inode并没有被真正删除，当ld.so对libold.so的引用结束，inode才会真正删除。这样程序就不会崩溃，因为它还在使用旧的libold.so，当下次再使用libold.so时，已经被替换，就会使用新的libold.so）

同理，mv只是改变了文件名，其 inode 不变，新文件使用了新的 inode。这样动态链接器 ld.so 仍然使用原来文件的 inode 访问旧的 so 文件。因而程序依然能正常运行。

(即: mv libold.so ***后，如果程序使用动态库，还是使用旧的inode节点，当下次再使用libold.so时，就会使用新的libold.so)

到这里，为什么直接使用“cp new_exec_file old_exec_file”这样的命令时，系统会禁止这样的操作，并且给出这样的提示“cp: cannot create regular file `old': Text file busy”。

这时，我们采用的办法仍然是用“rm+cp”或者“mv+cp”来替代直接“cp”，这跟以上提到的so文件的替换有同样的道理。

但是，为什么系统会阻止cp覆盖可执行程序，而不阻止覆盖so文件呢？

这是因为 Linux 有个 Demand Paging 机制，所谓“Demand Paging”，简单的说，就是系统为了节约物理内存开销，并不会程序运行时就将所有页（page）都加载到内存中，而只有在系统有访问需求时才将其加载。“Demand Paging”要求正在运行中的程序镜像（注意，并非文件本身）不被意外修改，因此内核在启动程序后会锁定这个程序镜像的 inode。

对于 so 文件，它是靠 ld.so 加载的，而ld.so毕竟也是用户态程序，没有权利去锁定inode，也不应与内核的文件系统底层实现耦合。