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《程序员的自我修养》 Ch8 Linux共享库的组织

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本章开始，记录的方式将变得越来越简要（以节省时间，提升更新速度），起到一个要点记录的作用。

虽然这一章最终还是又臭又长。

​ ——来自写完后的我

本章主要讲的是Linux下共享库的管理、安装、查找机制以及符号版本机制。

8.1 共享库版本

产生共享库需要组织的根本原因就是，不同版本的共享库的ABI（Application Binary Interface）不一样。API是源代码层面的接口，而ABI是二进制层面的接口，ABI就是API经过编译器编译后之后形成的二进制文件中的接口，由于不同版本的代码经过编译后的二进制库文件的不同，可能会改变某些ABI，进而导致不同版本的库不兼容，所以必须对不同版本的库进行管理。

按照书上的话说，ABI包括一些诸如：函数调用的堆栈结构、符号命名、参数规则、数据结构的内存分布等方面的规则。

库函数的更新分为可兼容和不可兼容两种：

兼容更新：在原先版本的共享库的基础上添加一些东西，并不改变原有的接口。

不兼容更新：改变了原先版本的共享库的某些接口。

C语言的库函数不同更改的兼容性如下：

编译器和系统库的不同（甚至版本不同）都可能会影响ABI。

C++的ABI兼容问题很严重，因为C++对其ABI并没有作出规定，所以不同的编译器甚至同一个编译器的不同版本对C++的一些特性都有着不同的方案，而且互不兼容，比如虚函数表、模板实例化、多重继承等。

代码、编译器、操作系统等因素的影响，不同的环境下，同一份源代码编译后的ABI也可能不同。

8.1.2 共享库版本命名

Linux的共享库命名规则如下：

libname.so.x.y.z

其中，so是共共享库后缀，x是主版本号，y是次版本号，z是发布版本号。

主版本号是重大升级，不同主版本之间是不兼容的

次版本号是增量升级，只增加了一些新的接口符号，在主版本号相同的前提下，高次版本向低次版本兼容。

发布版本号是一些错误的修正、性能的改进等，在主版本号和次版本号相同的情况下，不同发布版本之间完全兼容。

Linux下也有一些不符合上述规则的特例，比如Glibc，它包含了许多部分，其中的c语言库采用的方式是：libc-x.y.z.so，还有动态链接器ld-x.y.z.so，Glibc还有其他的部分也是这样。

8.1.3 SO-NAME

因为不同版本的共享库不一定兼容，所以每个程序中必须包含其所依赖的库的版本信息。

因为不同的主版本是肯定不兼容的，所以系统主要通过主版本号来区分链接的版本，这个机制称为SO-NAME，也就是创建一个指向共享库的软链接，其名字只保留共享库的主版本号，例如：“/lib/libfoo.so.2.6.1”的SO-NAME就是“/lib/libfoo.so.2”。

由于某些历史原因，动态链接器的SO-NAME也与众不同，比如ld-2.6.1.so的SO-NAME是ld-linux.so。

如果一个OS里有多个主版本号相同，次同版号不同的库，SO-NAME软链接会指向次版本号最新的库。

没有SO-NAME机制前，编译生成ELF文件时需要将所依赖的库的全名（比如libfoo.2.6.1）保存到.dynamic中，如果在新的OS环境中没有这个版本的库，就无法正常运行。

有了SO-NAME机制后，就可以将所依赖的库的SO-NAME保存到.dynamic段中，之后运行的时候，动态链接器就可以根据SO-NAME来链接到符合条件的最新的库了。

由于次版本号是高版本兼容低版本的，更新库的时候也可以直接删掉旧的次版本号的库了，大大节省了空间。

如果是主版本升级，那么OS中会保存有多个SO-NAME。

Linux中的ldconfig工具，可以遍历所有默认的共享库目录（lib、/usr/lib），来更新所有SO-NAME的软链接的，使其指向最新的版本库。

链接名

GCC编译器可以用-l参数使用某个共享库，具体请用看GCC的帮助或百度，这里不再赘述。

8.2符号版本

虽然SO-NAME是指向了本机器上最新的此版本号的库，但是存在这种情况：在其他机器上编译的软件依赖的库的次版本号（2.7.1）比运行该软件的环境中库的次版本号高（2.6.1），虽然SO-NAME一样，但是如果直接运行该软件的话，仍然有可能报错，因为该软件可能用到了高次版本库更新的符号。这个问题称作“次版本号交会问题”

有些OS会直接向用户发出警告但继续运行，有些OS则是直接禁止运行该软件。

为了更细致的控制符号的版本依赖问题，出现了一种基于符号的版本机制（Symbol Versioning）。思想就是给每个符号打上版本标记，比如“VERS_1.1”、“VERS_1.2”。

8.2.2 Solaris中的符号版本机制

符号的版本标记也可以看作一种集合，Solaris中程序员可以通过符号版本脚本来指定符号所属的集合，集合与几何之间也存在继承和以来的关系。

一个例子：

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SUNW_1.2 {
	global:
	swap;
}SUNW_1.1;

SUNW_1.1 {
	global:
	pop;
	push;
}

SUNWprivate {
	global:
	__pop;
	__push;
	local:
	*;
}

这个脚本中定义了3个集合：”SUNW_1.2“、”SUNW_1.1“和”SUNWprivate“，第一个集合有一个全局符号swap，同时继承了SUNW_1.1集合中的所有符号，SUNW_1.1中包含了pop和push两个全局符号，SUNWprivate中则声明了__pop和__push这两个全局符号，同时将其他所有的符号（除了这3个集合中声明过的全局符号）都声明为局部符号。

这种方法又被称为范围机制（Scoping）。

8.2.3 Linux中的符号版本

Linux下用符号版本机制用的并不广泛，主要是用共享库符号版本机制的是Glibc中的共享库。

GCC对Solaris的符号版本机制有扩展，可以在C/C++的源代码中嵌入汇编指令，一个例子：

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asm(".symver add, add@VERS_1.1");	// 把add添加到VERS_1.1的集合中，同时命名为add
int add(int a, int b)
{
    return a+b;
}

这个机制允许在不同的符号版本中存在相同的符号命名，类似于符号重载，一个例子：

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asm(".symver old_printf, printf@VERS_1.1");
asm(".symver new_printf, printf@VERS_1.2");	//外部的程序可以根据符号版本的不同来访问不同版本的printf
int old_printf()
{
    ...
}

书中有一个Linux符号版本机制的实验，可以看看。

8.3 共享库系统路径

Linux一般都遵守FHS（File Hierarchy Standard），它规定了系统中的系统文件该如何存放、组织。

FHS中规定的共享库的存放目录如下：

  • /lib：最关键的和最基础的共享库，如动态链接器，C语言运行库、数学库，这些是系统工具/运行的基础
  • /usr/lib：非系统运行时所需要的关键性的共享库，主要是开发时用到的库
  • /usr/local/lib：主要是第三方应用的库，例如python的解释器

8.4 共享库查找过程

一个动态连接的模块所依赖的共享库的路径保存在.dynamic段里面，由DT_NEED类型的项表示。如果保存的是绝对路径，就直接按照这个去找；如果是相对路径，那么动态链接器就会在/lib、/usr/lib和/etc/ld.so.conf配置文件中指定的目录去查找共享库。

我的wsl中的/etc/ld.so.conf文件内容是：include /etc/ld.so.conf.d/*.conf，也就是说包含了/etc/ld.so.conf.d/目录下所有后缀名为conf的配置文件的内容，具体可以进一步查看这些文件中包含的目录。

Linux中有一个ldconfig程序，可以搜索这些目录中的库，然后更新相应的SO-NAME（需要该库指定了它自己的SO-NAME），并且存放到一个缓存中，就可以加速共享库的查找过程。每当修改了ld.so.conf包含的内容或者手动安装了库，都应该运行一下这个程序（用包管理器安装的一般会自动帮你运行。

8.5 环境变量

环境变量，简单来说就是可以类比为变成中的变量，只不过这个变量的作用域是整个计算机系统。

同时，环境变量主要用来指示系统中一些“环境”的安装位置，比如各种编程语言的编译环境（例如Python、C++），或者是系统查找动态链接库的目录（比如LD_LIBRARY_PATH、LD_PRELOAD）。

PS：由于加载的全局符号会覆盖后加载的同名全局符号，LD_PRELOAD可以用来修改某些库的某些函数，经常被用在调试或测试中。

书中还提到了一个LD_DEBUG环境变量，可以用来开启动态链接器的调试功能。

8.6 共享库的创建和安装

8.6.1 共享库的创建

创建很简单，就是之前讲过的生成动态链接库的过程，一个典型的命令是：

$gcc -shared -Wl,-soname,my_soname -o library_name source_files library_files

即，产生一个名为library_name的共享库，它的so-name是my_soname，它的源文件包括source_files，它依赖library_files这些库文件。

-Wl参数用来把参数传递给链接器，这里就是传递soname参数，如果不指定soname，那么ldconfig命令就不会查找和更新这个库的soname了。

8.6.2 清除符号信息

普通编译的共享库或可执行文件里面带有符号信息和调试信息，对于最终发布的版本来说，这些信息没什么用，所以可以用strip工具来清除掉这些信息（或者向链接器传递-s和-S参数使得生成的时候就不产生这些信息）。

-s是清除所有符号信息，-S是清除调试符号信息。

8.6.3 共享库的安装

方法一：把共享库放在某个标准的系统共享库目录下，比如：/lib、/usr/lib等，然后运行ldconfig就行。（此方法需要root权限

方法二：手动建立SO-NAME（ldconfig -n shared_library_directory），然后编译的时候告诉编译器和程序该去哪查找共享库（比如设置LD_LIBRARY_PATH环境变量）。

8.6.4 共享库构造和析构函数

关于构造函数和析构函数的概念，在第四章的笔记中提到过。

GCC对C/C++语言进行了扩展，可以使用__attribute__((constructor))和__attribute__((deconstructor))来分别生命构造和析构函数。

还有可以指定优先级，例如：__attribute__((constructor(5)))

具体用法请使用的时候再搜索

8.6.5 共享库脚本

链接脚本有时候也可以看作一个共享库，需要符合一定的格式。比如libfoo.so文件的内容就是一句脚本：GROUP(/lib/libc.so.6 /lib/libm.so.2)，这个共享库相当于是把libc和libm这两个库组合成一个了。