C++培训之Linux系统动态库加载过程分析

本文探讨Linux系统中动态库的加载过程,通过反汇编工具和gdb调试,揭示了动态库如何通过PLT和GOT进行位置无关代码的调用。详细解释了动态链接器如何在运行时完成动态链接,以及首次调用动态库函数时的延迟绑定机制,解释了动态库调用速度相对较慢的原因。

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在Linux系统开发中,我们频繁的使用动态库(又称共享库),它相较于静态库而言有节省空间、便于更新等优点。但同时,动态库也有其缺点,加载速度相较于静态库而言较慢。那么,为什么调用动态库内的函数要比调用静态库内函数速度慢呢?它的加载过程具体又是怎样的呢?我们可借助gdb调试工具和反汇编工具objdump来找寻原因。

首先准备简单的动态库测试函数:


准备测试程序:


借助gcc工具生成动态库,链接动态库,编译生成可执行文件,并帮助动态链接器指定动态库加载位置。

  • gcc -c -fPIC add.c sub.c mul.c
  • gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o mul.o
  • gcc main.c -o app -L ./ -l mymath -I ./
  • export LD_LIBRARY_PATH=./


接下来,我们来研究下,在 main.c 中调用共享库的函数 add是如何实现的。首先反汇编看一下动态库libmymath.so,方便后期数据比对。(由于数据较多,这里只保留了与后期分析相关联的部分,同时为了方便观察地址,我们以32位系统为例。)

$ objdump libmymath.so -dS...00000538 <add>: 538:    55                        push   %ebp 539:    89 e5                     mov    %esp,%ebp 53b:    8b 45 0c           &nbs

文中是linuxC++动态库 实现接口提供类导出的一个例子 注意其中使用函数返回基类指针的用法,因为Linux的动态链接库不能像MFC中那样直接导出类 一、介绍 如何使用dlopen API动态地加载C++函数和类,是Unix C++程序员经常碰到的问题。 事实上,情况偶尔有些复杂,需要一些解释。这正是写这篇mini HOWTO的缘由。 理解这篇文档的前提是对C/C++语言中dlopen API有基本的了解。 这篇HOWTO的维护链接是: http://www.isotton.com/howtos/C++-dlopen-mini-HOWTO/ 二、问题所在 有时你想在运行时加载一个库(并使用其中的函数),这在你为你的程序写一些插件或模块架构的时候经常发生。 在C语言中,加载一个库轻而易举(调用dlopen、dlsym和dlclose就够了),但对C++来说,情况稍微复杂。 动态加载一个C++库的困难一部分是因为C++的name mangling (译者注:也有人把它翻译为“名字毁坏”,我觉得还是不翻译好), 另一部分是因为dlopen API是用C语言实现的,因而没有提供一个合适的方式来装载类。 在解释如何装载C++库之前,最好再详细了解一下name mangling。 我推荐您了解一下它,即使您对它不感兴趣。因为这有助于您理解问题是如何产生的,如何才能解决它们。 1. Name Mangling 在每个C++程序(或库、目标文件)中, 所有非静态(non-static)函数在二进制文件中都是以“符号(symbol)”形式出现的。 这些符号都是唯一的字符串,从而把各个函数在程序、库、目标文件中区分开来。 在C中,符号名正是函数名:strcpy函数的符号名就是“strcpy”,等等。 这可能是因为两个非静态函数的名字一定各不相同的缘故。 而C++允许重载(不同的函数有相同的名字但不同的参数), 并且有很多C所没有的特性──比如类、成员函数、异常说明──几乎不可能直接用函数名作符号名。 为了解决这个问题,C++采用了所谓的name mangling。它把函数名和一些信息(如参数数量和大小)杂糅在一起, 改造成奇形怪状,只有编译器才懂的符号名。 例如,被mangle后的foo可能看起来像foo@4%6^,或者,符号名里头甚至不包括“foo”。 其中一个问题是,C++标准(目前是[ISO14882])并没有定义名字必须如何被mangle, 所以每个编译器都按自己的方式来进行name mangling。 有些编译器甚至在不同版本间更换mangling算法(尤其是g++ 2.x和3.x)。 即使您搞清楚了您的编译器到底怎么进行mangling的,从而可以用dlsym调用函数了, 但可能仅仅限于您手头的这个编译器而已,而无法在下一版编译器下工作。 三、类 使用dlopen API的另一个问题是,它只支持加载函数。 但在C++中,您可能要用到库中的一个类,而这需要创建该类的一个实例,这不容易做到。 四、解决方案 1. extern "C" C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数: extern "C" 。 用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名,就像C函数一样。 因此,只有非成员函数才能被声明为extern "C",并且不能被重载。 尽管限制多多,extern "C"函数还是非常有用,因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。 冠以extern "C"限定符后,并不意味着函数中无法使用C++代码了, 相反,它仍然是一个完全的C++函数,可以使用任何C++特性和各种类型的参数。
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