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了解 Linux 如何使用庫(kù)，包括靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)的差別，有助于你解決依賴(lài)問(wèn)題。

Linux 從某種意義上來(lái)說(shuō)就是一堆相互依賴(lài)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)庫(kù)。對(duì)于 Linux 系統(tǒng)新手來(lái)說(shuō)，庫(kù)的整個(gè)處理過(guò)程簡(jiǎn)直是個(gè)迷。但對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，被構(gòu)建進(jìn)操作系統(tǒng)的大量共享代碼對(duì)于編寫(xiě)新應(yīng)用來(lái)說(shuō)卻是個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

為了讓你熟悉這個(gè)話題，我準(zhǔn)備了一個(gè)小巧的 應(yīng)用例子 來(lái)展示在普通的 Linux 發(fā)行版（在其他操作系統(tǒng)上未驗(yàn)證）上是經(jīng)常是如何處理庫(kù)的。為了用這個(gè)例子來(lái)跟上這個(gè)需要?jiǎng)邮值慕坛蹋?qǐng)打開(kāi)命令行輸入：

$ git clone https://github.com/hANSIc99/library_sample
$ cd library_sample/
$ make
cc -c main.c -Wall -Werror
cc -c libmy_static_a.c -o libmy_static_a.o -Wall -Werror
cc -c libmy_static_b.c -o libmy_static_b.o -Wall -Werror
ar -rsv libmy_static.a libmy_static_a.o libmy_static_b.o
ar: creating libmy_static.a
a - libmy_static_a.o
a - libmy_static_b.o
cc -c -fPIC libmy_shared.c -o libmy_shared.o
cc -shared -o libmy_shared.so libmy_shared.o
$ make clean
rm *.o

當(dāng)執(zhí)行完這些命令，這些文件應(yīng)當(dāng)被添加進(jìn)目錄下（執(zhí)行 ls 來(lái)查看）：

my_app
libmy_static.a
libmy_shared.so

關(guān)于靜態(tài)鏈接

當(dāng)你的應(yīng)用鏈接了一個(gè)靜態(tài)庫(kù)，這個(gè)庫(kù)的代碼就變成了可執(zhí)行文件的一部分。這個(gè)動(dòng)作只在鏈接過(guò)程中執(zhí)行一次，這些靜態(tài)庫(kù)通常以 .a 擴(kuò)展符結(jié)尾。

靜態(tài)庫(kù)是多個(gè)目標(biāo)object文件的歸檔archive（ar）。這些目標(biāo)文件通常是 ELF 格式的。ELF 是 可執(zhí)行可鏈接格式Executable and Linkable Format 的簡(jiǎn)寫(xiě)，它與多個(gè)操作系統(tǒng)兼容。

file 命令的輸出可以告訴你靜態(tài)庫(kù) libmy_static.a 是 ar 格式的歸檔文件類(lèi)型。

$ file libmy_static.a
libmy_static.a: current ar archive

使用 ar -t，你可以看到歸檔文件的內(nèi)部。它展示了兩個(gè)目標(biāo)文件：

$ ar -t libmy_static.a
libmy_static_a.o
libmy_static_b.o

你可以用 ax -x <archive-file> 命令來(lái)提取歸檔文件的文件。被提出的都是 ELF 格式的目標(biāo)文件：

$ ar -x libmy_static.a
$ file libmy_static_a.o
libmy_static_a.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped

關(guān)于動(dòng)態(tài)鏈接

動(dòng)態(tài)鏈接指的是使用共享庫(kù)。共享庫(kù)通常以 .so 的擴(kuò)展名結(jié)尾（“共享對(duì)象shared object” 的簡(jiǎn)寫(xiě)）。

共享庫(kù)是 Linux 系統(tǒng)中依賴(lài)管理的最常用方法。這些共享庫(kù)在應(yīng)用啟動(dòng)前被載入內(nèi)存，當(dāng)多個(gè)應(yīng)用都需要同一個(gè)庫(kù)時(shí)，這個(gè)庫(kù)在系統(tǒng)中只會(huì)被加載一次。這個(gè)特性減少了應(yīng)用的內(nèi)存占用。

另外一個(gè)值得注意的地方是，當(dāng)一個(gè)共享庫(kù)的 bug 被修復(fù)后，所有引用了這個(gè)庫(kù)的應(yīng)用都會(huì)受益。但這也意味著，如果一個(gè) bug 還沒(méi)被發(fā)現(xiàn)，那所有相關(guān)的應(yīng)用都會(huì)遭受這個(gè) bug 影響（如果這個(gè)應(yīng)用使用了受影響的部分）。

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用需要某個(gè)特定版本的庫(kù)，但是鏈接器linker只知道某個(gè)不兼容版本的位置，對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)這個(gè)問(wèn)題非常棘手。在這個(gè)場(chǎng)景下，你必須幫助鏈接器找到正確版本的路徑。

盡管這不是一個(gè)每天都會(huì)遇到的問(wèn)題，但是理解動(dòng)態(tài)鏈接的原理總是有助于你修復(fù)類(lèi)似的問(wèn)題。

幸運(yùn)的是，動(dòng)態(tài)鏈接的機(jī)制其實(shí)非常簡(jiǎn)潔明了。

為了檢查一個(gè)應(yīng)用在啟動(dòng)時(shí)需要哪些庫(kù)，你可以使用 ldd 命令，它會(huì)打印出給定文件所需的動(dòng)態(tài)庫(kù)：

$ ldd my_app
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffd1299c000)
        libmy_shared.so => not found
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f56b869b000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f56b8881000)

可以注意到 libmy_shared.so 庫(kù)是代碼倉(cāng)庫(kù)的一部分，但是沒(méi)有被找到。這是因?yàn)樨?fù)責(zé)在應(yīng)用啟動(dòng)之前將所有依賴(lài)加載進(jìn)內(nèi)存的動(dòng)態(tài)鏈接器沒(méi)有在它搜索的標(biāo)準(zhǔn)路徑下找到這個(gè)庫(kù)。

對(duì)新手來(lái)說(shuō)，與常用庫(kù)（例如 bizp2）版本不兼容相關(guān)的問(wèn)題往往十分令人困惑。一種方法是把該倉(cāng)庫(kù)的路徑加入到環(huán)境變量 LD_LIBRARY_PATH 中來(lái)告訴鏈接器去哪里找到正確的版本。在本例中，正確的版本就在這個(gè)目錄下，所以你可以導(dǎo)出它至環(huán)境變量：

$ LD_LIBRARY_PATH=$(pwd):$LD_LIBRARY_PATH
$ export LD_LIBRARY_PATH

現(xiàn)在動(dòng)態(tài)鏈接器知道去哪找?guī)炝耍瑧?yīng)用也可以執(zhí)行了。你可以再次執(zhí)行 ldd 去調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接器，它會(huì)檢查應(yīng)用的依賴(lài)然后加載進(jìn)內(nèi)存。內(nèi)存地址會(huì)在對(duì)象路徑后展示：

$ ldd my_app
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffd385f7000)
        libmy_shared.so => /home/stephan/library_sample/libmy_shared.so (0x00007f3fad401000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f3fad21d000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f3fad408000)

想知道哪個(gè)鏈接器被調(diào)用了，你可以用 file 命令：

$ file my_app
my_app: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2, BuildID[sha1]=26c677b771122b4c99f0fd9ee001e6c743550fa6, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped

鏈接器 /lib64/ld-linux-x86–64.so.2 是一個(gè)指向 ld-2.30.so 的軟鏈接，它也是我的 Linux 發(fā)行版的默認(rèn)鏈接器：

$ file /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2: symbolic link to ld-2.31.so

回頭看看 ldd 命令的輸出，你還可以看到（在 libmy_shared.so 邊上）每個(gè)依賴(lài)都以一個(gè)數(shù)字結(jié)尾（例如 /lib64/libc.so.6）。共享對(duì)象的常見(jiàn)命名格式為：

libXYZ.so.<MAJOR>.<MINOR>

在我的系統(tǒng)中，libc.so.6 也是指向同一目錄下的共享對(duì)象 libc-2.31.so 的軟鏈接。

$ file /lib64/libc.so.6
/lib64/libc.so.6: symbolic link to libc-2.31.so

如果你正在面對(duì)一個(gè)應(yīng)用因?yàn)榧虞d庫(kù)的版本不對(duì)導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)的問(wèn)題，有很大可能你可以通過(guò)檢查整理這些軟鏈接或者確定正確的搜索路徑（查看下方“動(dòng)態(tài)加載器：ld.so”一節(jié)）來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

更為詳細(xì)的信息請(qǐng)查看 ldd 手冊(cè)頁(yè)。

動(dòng)態(tài)加載

動(dòng)態(tài)加載的意思是一個(gè)庫(kù)（例如一個(gè) .so 文件）在程序的運(yùn)行時(shí)被加載。這是使用某種特定的編程方法實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)一個(gè)應(yīng)用使用可以在運(yùn)行時(shí)改變的插件時(shí)，就會(huì)使用動(dòng)態(tài)加載。

查看 dlopen 手冊(cè)頁(yè) 獲取更多信息。

動(dòng)態(tài)加載器：ld.so

在 Linux 系統(tǒng)中，你幾乎總是正在跟共享庫(kù)打交道，所以必須有個(gè)機(jī)制來(lái)檢測(cè)一個(gè)應(yīng)用的依賴(lài)并將其加載進(jìn)內(nèi)存中。

ld.so 按以下順序在這些地方尋找共享對(duì)象：

1. 應(yīng)用的絕對(duì)路徑或相對(duì)路徑下（用 GCC 編譯器的 -rpath 選項(xiàng)硬編碼的）
2. 環(huán)境變量 LD_LIBRARY_PATH
3. /etc/ld.so.cache 文件

需要記住的是，將一個(gè)庫(kù)加到系統(tǒng)庫(kù)歸檔 /usr/lib64 中需要管理員權(quán)限。你可以手動(dòng)拷貝 libmy_shared.so 至庫(kù)歸檔中來(lái)讓?xiě)?yīng)用可以運(yùn)行，而避免設(shè)置 LD_LIBRARY_PATH。

unset LD_LIBRARY_PATH
sudo cp libmy_shared.so /usr/lib64/

當(dāng)你運(yùn)行 ldd 時(shí)，你現(xiàn)在可以看到歸檔庫(kù)的路徑被展示出來(lái)：

$ ldd my_app
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffe82fab000)
        libmy_shared.so => /lib64/libmy_shared.so (0x00007f0a963e0000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f0a96216000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f0a96401000)

在編譯時(shí)定制共享庫(kù)

如果你想你的應(yīng)用使用你的共享庫(kù)，你可以在編譯時(shí)指定一個(gè)絕對(duì)或相對(duì)路徑。

編輯 makefile（第 10 行）然后通過(guò) make -B 來(lái)重新編譯程序。然后 ldd 輸出顯示 libmy_shared.so 和它的絕對(duì)路徑一起被列出來(lái)了。

把這個(gè)：

CFLAGS =-Wall -Werror -Wl,-rpath,$(shell pwd)

改成這個(gè)（記得修改用戶名）：

CFLAGS =/home/stephan/library_sample/libmy_shared.so

然后重新編譯：

$ make

確認(rèn)下它正在使用你設(shè)定的絕對(duì)路徑，你可以在輸出的第二行看到：

$ ldd my_app
    linux-vdso.so.1 (0x00007ffe143ed000)
        libmy_shared.so => /lib64/libmy_shared.so (0x00007fe50926d000)
        /home/stephan/library_sample/libmy_shared.so (0x00007fe509268000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fe50909e000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fe50928e000)

這是個(gè)不錯(cuò)的例子，但是如果你在編寫(xiě)給其他人用的庫(kù)，它是怎樣工作的呢？新庫(kù)的路徑可以通過(guò)寫(xiě)入 /etc/ld.so.conf 或是在 /etc/ld.so.conf.d/ 目錄下創(chuàng)建一個(gè)包含路徑的 <library-name>.conf 文件來(lái)注冊(cè)至系統(tǒng)。之后，你必須執(zhí)行 ldconfig 命令來(lái)覆寫(xiě) ld.so.cache 文件。這一步有時(shí)候在你裝了攜帶特殊的共享庫(kù)的程序來(lái)說(shuō)是不可省略的。

查看 ld.so 的手冊(cè)頁(yè) 獲取更多詳細(xì)信息。

怎樣處理多種架構(gòu)

通常來(lái)說(shuō)，32 位和 64 位版本的應(yīng)用有不同的庫(kù)。下面列表展示了不同 Linux 發(fā)行版庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)路徑：

紅帽家族

• 32 位：/usr/lib
• 64 位：/usr/lib64

Debian 家族

• 32 位：/usr/lib/i386-linux-gnu
• 64 位：/usr/lib/x86_64-linux-gnu

Arch Linux 家族

• 32 位：/usr/lib32
• 64 位：/usr/lib64

FreeBSD（技術(shù)上來(lái)說(shuō)不算 Linux 發(fā)行版）

• 32 位：/usr/lib32
• 64 位：/usr/lib

知道去哪找這些關(guān)鍵庫(kù)可以讓庫(kù)鏈接失效的問(wèn)題成為歷史。

 

雖然剛開(kāi)始會(huì)有點(diǎn)困惑，但是理解 Linux 庫(kù)的依賴(lài)管理是一種對(duì)操作系統(tǒng)掌控感的表現(xiàn)。在其他應(yīng)用程序中運(yùn)行這些步驟，以熟悉常見(jiàn)的庫(kù)，然后繼續(xù)學(xué)習(xí)怎樣解決任何你可能遇到的庫(kù)的挑戰(zhàn)。