Linux 操作系统动态库剖析

动态链接的共享库是 GNU/Linux? 的一个重要方面.该种库允许可执行文件在运行时动态访问外部函数,从而（通过在需要时才会引入函数的方式）减少它们对内存的总体占用.本文研究了创建和使用静态库的过程,详细描述了开发它们的各种工具,并揭秘了这些库的工作方式.

库用于将相似函数打包在一个单元中.然后这些单元就可为其他开发人员所共享,并因此有了模块化编程这种说法 — 即,从模块中构建程序.Linux 支持两种类型的库,每一种库都有各自的优缺点.静态库包含在编译时静态绑定到一个程序的函数.动态库则不同,它是在加载应用程序时被加载的,它与应用程序是在运行时绑定的.图 1 展示了 Linux 中的库的层次结构.

图 1. Linux 中的库层次结构

使用共享库的方法有两种：您既可以在运行时动态链接库,也可以动态加载库并在程序控制之下使用它们.本文对这两种方法都做了探讨.

静态库较适宜于较小的应用程序,它们只需要最小限度的函数.而对于需要多个库的应用程序来说,则适合使用共享库,它们可以减少应用程序对内存（包括运行时中的磁盘占用和内存占用）的占用.这是多个应用程序可以同时使用一个共享库；因此,每次只需要在内存上复制一个库.要是静态库的话,每一个运行的程序都要有一份库的副本.

GNU/Linux 提供两种处理共享库的方法（每种方法都源于 Sun Solaris）.您可以动态地将程序和共享库链接并让 Linux 在执行时加载库（如果它已经在内存中了,则无需再加载）.另外一种方法是使用一个称为动态加载的过程,这样程序可以有选择地调用库中的函数.使用动态加载过程,程序可以先加载一个特定的库（已加载则不必）,然后调用该库中的某一特定函数（图 2 展示了这两种方法）.这是构建支持插件的应用程序的一个普遍的方法.我稍候将在本文探讨并示范该应用程序编程接口（API）.

图 2. 静态链接与动态链接

用 Linux 进行动态链接

现在,让我们深入探讨一下使用 Linux 中的动态链接的共享库的过程.当用户启动一个应用程序时,它们正在调用一个可执行和链接格式（Executable and Linking Format,ELF）映像.内核将 ELF 映像加载到用户空间虚拟内存中.然后内核会注意到一个称为 .interp 的 ELF 部分,它指明了将要被使用的动态链接器（/lib/ld-linux.so）,如清单 1 所示.这与 UNIX? 中的脚本文件的解释器定义（#!/bin/sh）很相似：只是用在了不同的上下文中.

清单 1. 使用 readelf 来显示程序标题

注意,ld-linux.so 本身就是一个 ELF 共享库,但它是静态编译的并且不具备共享库依赖项.当需要动态链接时,内核会引导动态链接（ELF 解释器）,该链接会初始化自身,然后加载指定的共享对象（已加载则不必）.接着它会执行

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