用 Linux 进行动态加载

Linux 并不会自动为给定程序加载和链接库，而是与应用程序本身共享该控制权。这个过程就称为动态加载。使用动态加载，应用程序能够先指定要加载的库，然后将该库作为一个可执行文件来使用（即调用其中的函数）。但是正如您在前面所了解到的，用于动态加载的共享库与标准共享库（ELF 共享对象）无异。事实上，ld-linux 动态链接器作为 ELF 加载器和解释器，仍然会参与到这个过程中。

动态加载（Dynamic Loading，DL）API 就是为了动态加载而存在的，它允许共享库对用户空间程序可用。尽管非常小，但是这个 API 提供了所有需要的东西，而且很多困难的工作是在后台完成的。表 1 展示了这个完整的 API。

该过程首先是调用 dlopen，提供要访问的文件对象和模式。调用 dlopen 的结果是稍候要使用的对象的句柄。mode 参数通知动态链接器何时执行再定位。有两个可能的值。第一个是 RTLD_NOW，它表明动态链接器将会在调用 dlopen 时完成所有必要的再定位。第二个可选的模式是 RTLD_LAZY，它只在需要时执行再定位。这是通过在内部使用动态链接器重定向所有尚未再定位的请求来完成的。这样，动态链接器就能够在请求时知晓何时发生了新的引用，而且再定位可以正常进行。后面的调用无需重复再定位过程。

还可以选择另外两种模式，它们可以按位 OR 到 mode 参数中。RTLD_LOCAL 表明其他任何对象都无法使加载的共享对象的符号用于再定位过程。如果这正是您想要的的话（例如，为了让共享的对象能够调用原始进程映像中的符号），那就使用 RTLD_GLOBAL 吧。

dlopen 函数还会自动解析共享库中的依赖项。这样，如果您打开了一个依赖于其他共享库的对象，它就会自动加载它们。函数返回一个句柄，该句柄用于后续的 API 调用。dlopen 的原型为：

#include <dlfcn.h>

void *dlopen( const char *file, int mode );

有了 ELF 对象的句柄，就可以通过调用 dlsym 来识别这个对象内的符号的地址了。该函数采用一个符号名称，如对象内的一个函数的名称。返回值为对象符号的解析地址：

void *dlsym( void *restrict handle, const char *restrict name );

如果调用该 API 时发生了错误，可以使用 dlerror 函数返回一个表示此错误的人类可读的字符串。该函数没有参数，它会在发生前面的错误时返回一个字符串，在没有错误发生时返回 NULL：

char *dlerror();

最后，如果无需再调用共享对象的话，应用程序可以调用 dlclose 来通知操作系统不再需要句柄和对象引用了。它完全是按引用来计数的，所以同一个共享对象的多个用户相互间不会发生冲突（只要还有一个用户在使用它，它就会待在内存中）。任何通过已关闭的对象的 dlsym 解析的符号都将不再可用。

char *dlclose( void *handle );

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动态加载示例

了 解了 API 之后，下面让我们来看一看 DL API 的例子。在这个应用程序中，您主要实现了一个 shell，它允许操作员来指定库、函数和参数。换句话说，也就是用户能够指定一个库并调用该库（先前未链接于该应用程序的）内的任意一个函数。首先使用 DL API 来解析该库中的函数，然后使用用户定义的参数（用来发送结果）来调用它。清单 2 展示了完整的应用程序。

	
#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>
#include <string.h>

#define MAX_STRING      80


void invoke_method( char *lib, char *method, float argument )
{
  void *dl_handle;
  float (*func)(float);
  char *error;

  /* Open the shared object */
  dl_handle = dlopen( lib, RTLD_LAZY );
  if (!dl_handle) {
    printf( "!!! %s\n", dlerror() );
    return;
  }

  /* Resolve the symbol (method) from the object */
  func = dlsym( dl_handle, method );
  error = dlerror();
  if (error != NULL) {
    printf( "!!! %s\n", error );
    return;
  }

  /* Call the resolved method and print the result */
  printf("  %f\n", (*func)(argument) );

  /* Close the object */
  dlclose( dl_handle );

  return;
}


int main( int argc, char *argv[] )
{
  char line[MAX_STRING+1];
  char lib[MAX_STRING+1];
  char method[MAX_STRING+1];
  float argument;

  while (1) {

    printf("> ");

    line[0]=0;
    fgets( line, MAX_STRING, stdin);

    if (!strncmp(line, "bye", 3)) break;

    sscanf( line, "%s %s %f", lib, method, &argument);

    invoke_method( lib, method, argument );

  }

}

要构建这个应用程序，需要通过 GNU Compiler Collection（GCC）使用如下的编译行。选项 -rdynamic 用来通知链接器将所有符号添加到动态符号表中（目的是能够通过使用 dlopen 来实现向后跟踪）。-ldl 表明一定要将 dllib 链接于该程序。

gcc -rdynamic -o dl dl.c -ldl

再回到 清单 2，main 函数仅充当解释器，解析来自输入行的三个参数（库名、函数名和浮点参数）。如果出现 bye 的话，应用程序就会退出。否则的话，这三个参数就会传递给使用 DL API 的 invoke_method 函数。

首先调用 dlopen 来访问目标文件。如果返回 NULL 句柄，表示无法找到对象，过程结束。否则的话，将会得到对象的一个句柄，可以进一步询问对象。然后使用 dlsym API 函数，尝试解析新打开的对象文件中的符号。您将会得到一个有效的指向该符号的指针，或者是得到一个 NULL 并返回一个错误。

在 ELF 对象中解析了符号后，下一步就只需要调用函数。要注意一下这个代码和前面讨论的动态链接的差别。在这个例子中，您强行将目标文件中的符号地址用作函数指 针，然后调用它。而在前面的例子是将对象名作为函数，由动态链接器来确保符号指向正确的位置。虽然动态链接器能够为您做所有麻烦的工作，但这个方法会让您 构建出极其动态的应用程序，它们可以再运行时被扩展。

调用 ELF 对象中的目标函数后，通过调用 dlclose 来关闭对它的访问。

清 单 3 展示了一个如何使用这个测试程序的例子。在这个例子中，首先编译程序而后执行它。接着调用了 math 库（libm.so）中的几个函数。完成演示后，程序现在能够用动态加载来调用共享对象（库）中的任意函数了。这是一个很强大的功能，通过它还能够给程序 扩充新的功能。

	
mtj@camus:~/dl$ gcc -rdynamic -o dl dl.c -ldl
mtj@camus:~/dl$ ./dl
> libm.so cosf 0.0
  1.000000
> libm.so sinf 0.0
  0.000000
> libm.so tanf 1.0
  1.557408
> bye
mtj@camus:~/dl$

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工具

Linux 提供了很多种查看和解析 ELF 对象（包括共享库）的工具。其中最有用的一个当属 ldd 命令，您可以使用它来发送共享库依赖项。例如，在 dl 应用程序上使用 ldd 命令会显示如下内容：

mtj@camus:~/dl$ ldd dl
        linux-gate.so.1 =>  (0xffffe000)
        libdl.so.2 => /lib/tls/i686/cmov/libdl.so.2 (0xb7fdb000)
        libc.so.6 => /lib/tls/i686/cmov/libc.so.6 (0xb7eac000)
        /lib/ld-linux.so.2 (0xb7fe7000)
mtj@camus:~/dl$

ldd 所告诉您的是：该 ELF 映像依赖于 linux-gate.so（一个特殊的共享对象，它处理系统调用，它在文件系统中无关联文件）、libdl.so（DL API）、GNU C 库（libc.so）以及 Linux 动态加载器（因为它里面有共享库依赖项）。

readelf 命令是一个有很多特性的实用程序，它让您能够解析和读取 ELF 对象。readelf 有一个有趣的用途，就是用来识别对象内可再定位的项。对于我们这个简单的程序来说（清单 2 展示的程序），您可以看到需要再定位的符号为：

mtj@camus:~/dl$ readelf -r dl

Relocation section '.rel.dyn' at offset 0x520 contains 2 entries:
 Offset     Info    Type            Sym.Value  Sym. Name
08049a3c  00001806 R_386_GLOB_DAT    00000000   __gmon_start__
08049a78  00001405 R_386_COPY        08049a78   stdin

Relocation section '.rel.plt' at offset 0x530 contains 8 entries:
 Offset     Info    Type            Sym.Value  Sym. Name
08049a4c  00000207 R_386_JUMP_SLOT   00000000   dlsym
08049a50  00000607 R_386_JUMP_SLOT   00000000   fgets
08049a54  00000b07 R_386_JUMP_SLOT   00000000   dlerror
08049a58  00000c07 R_386_JUMP_SLOT   00000000   __libc_start_main
08049a5c  00000e07 R_386_JUMP_SLOT   00000000   printf
08049a60  00001007 R_386_JUMP_SLOT   00000000   dlclose
08049a64  00001107 R_386_JUMP_SLOT   00000000   sscanf
08049a68  00001907 R_386_JUMP_SLOT   00000000   dlopen
mtj@camus:~/dl$

从这个列表中，您可以看到各种各样的需要再定位（到 libc.so）的 C 库调用，包括对 DL API（libdl.so）的调用。函数 __libc_start_main 是一个 C 库函数，它优先于程序的 main 函数（一个提供必要初始化的 shell）而被调用。

其他操作对象文件的实用程序包括：objdump，它展示了关于对象文件的信息；nm，它列出来自对象文件（包括调试信息）的符号。还可以将 EFL 程序作为参数，直接调用 Linux 动态链接器，从而手动启动映像：

mtj@camus:~/dl$ /lib/ld-linux.so.2 ./dl
> libm.so expf 0.0
  1.000000
>

另外，可以使用 ld-linux.so 的 --list 选项来罗列 ELF 映像的依赖项（ldd 命令也如此）。切记，它仅仅是一个用户空间程序，是由内核在需要时引导的。