用 Linux 進(jìn)行動態(tài)加載

Linux 并不會自動為給定程序加載和鏈接庫，而是與應(yīng)用程序本身共享該控制權(quán)。這個過程就稱為動態(tài)加載。使用動態(tài)加載，應(yīng)用程序能夠先指定要加載的庫，然后將該庫作為一個可執(zhí)行文件來使用（即調(diào)用其中的函數(shù)）。但是正如您在前面所了解到的，用于動態(tài)加載的共享庫與標(biāo)準(zhǔn)共享庫（ELF 共享對象）無異。事實上，ld-linux 動態(tài)鏈接器作為 ELF 加載器和解釋器，仍然會參與到這個過程中。

動態(tài)加載（Dynamic Loading，DL）API 就是為了動態(tài)加載而存在的，它允許共享庫對用戶空間程序可用。盡管非常小，但是這個 API 提供了所有需要的東西，而且很多困難的工作是在后臺完成的。表 1 展示了這個完整的 API。

該過程首先是調(diào)用 dlopen，提供要訪問的文件對象和模式。調(diào)用 dlopen 的結(jié)果是稍候要使用的對象的句柄。mode 參數(shù)通知動態(tài)鏈接器何時執(zhí)行再定位。有兩個可能的值。第一個是 RTLD_NOW，它表明動態(tài)鏈接器將會在調(diào)用 dlopen 時完成所有必要的再定位。第二個可選的模式是 RTLD_LAZY，它只在需要時執(zhí)行再定位。這是通過在內(nèi)部使用動態(tài)鏈接器重定向所有尚未再定位的請求來完成的。這樣，動態(tài)鏈接器就能夠在請求時知曉何時發(fā)生了新的引用，而且再定位可以正常進(jìn)行。后面的調(diào)用無需重復(fù)再定位過程。

還可以選擇另外兩種模式，它們可以按位 OR 到 mode 參數(shù)中。RTLD_LOCAL 表明其他任何對象都無法使加載的共享對象的符號用于再定位過程。如果這正是您想要的的話（例如，為了讓共享的對象能夠調(diào)用原始進(jìn)程映像中的符號），那就使用 RTLD_GLOBAL 吧。

dlopen 函數(shù)還會自動解析共享庫中的依賴項。這樣，如果您打開了一個依賴于其他共享庫的對象，它就會自動加載它們。函數(shù)返回一個句柄，該句柄用于后續(xù)的 API 調(diào)用。dlopen 的原型為：

#include <dlfcn.h>

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

有了 ELF 對象的句柄，就可以通過調(diào)用 dlsym 來識別這個對象內(nèi)的符號的地址了。該函數(shù)采用一個符號名稱，如對象內(nèi)的一個函數(shù)的名稱。返回值為對象符號的解析地址：

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

如果調(diào)用該 API 時發(fā)生了錯誤，可以使用 dlerror 函數(shù)返回一個表示此錯誤的人類可讀的字符串。該函數(shù)沒有參數(shù)，它會在發(fā)生前面的錯誤時返回一個字符串，在沒有錯誤發(fā)生時返回 NULL：

char *dlerror();

最后，如果無需再調(diào)用共享對象的話，應(yīng)用程序可以調(diào)用 dlclose 來通知操作系統(tǒng)不再需要句柄和對象引用了。它完全是按引用來計數(shù)的，所以同一個共享對象的多個用戶相互間不會發(fā)生沖突（只要還有一個用戶在使用它，它就會待在內(nèi)存中）。任何通過已關(guān)閉的對象的 dlsym 解析的符號都將不再可用。

char *dlclose( void *handle );

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動態(tài)加載示例

了 解了 API 之后，下面讓我們來看一看 DL API 的例子。在這個應(yīng)用程序中，您主要實現(xiàn)了一個 shell，它允許操作員來指定庫、函數(shù)和參數(shù)。換句話說，也就是用戶能夠指定一個庫并調(diào)用該庫（先前未鏈接于該應(yīng)用程序的）內(nèi)的任意一個函數(shù)。首先使用 DL API 來解析該庫中的函數(shù)，然后使用用戶定義的參數(shù)（用來發(fā)送結(jié)果）來調(diào)用它。清單 2 展示了完整的應(yīng)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 );

  }

}

要構(gòu)建這個應(yīng)用程序，需要通過 GNU Compiler Collection（GCC）使用如下的編譯行。選項 -rdynamic 用來通知鏈接器將所有符號添加到動態(tài)符號表中（目的是能夠通過使用 dlopen 來實現(xiàn)向后跟蹤）。-ldl 表明一定要將 dllib 鏈接于該程序。

gcc -rdynamic -o dl dl.c -ldl

再回到 清單 2，main 函數(shù)僅充當(dāng)解釋器，解析來自輸入行的三個參數(shù)（庫名、函數(shù)名和浮點參數(shù)）。如果出現(xiàn) bye 的話，應(yīng)用程序就會退出。否則的話，這三個參數(shù)就會傳遞給使用 DL API 的 invoke_method 函數(shù)。

首先調(diào)用 dlopen 來訪問目標(biāo)文件。如果返回 NULL 句柄，表示無法找到對象，過程結(jié)束。否則的話，將會得到對象的一個句柄，可以進(jìn)一步詢問對象。然后使用 dlsym API 函數(shù)，嘗試解析新打開的對象文件中的符號。您將會得到一個有效的指向該符號的指針，或者是得到一個 NULL 并返回一個錯誤。

在 ELF 對象中解析了符號后，下一步就只需要調(diào)用函數(shù)。要注意一下這個代碼和前面討論的動態(tài)鏈接的差別。在這個例子中，您強(qiáng)行將目標(biāo)文件中的符號地址用作函數(shù)指 針，然后調(diào)用它。而在前面的例子是將對象名作為函數(shù)，由動態(tài)鏈接器來確保符號指向正確的位置。雖然動態(tài)鏈接器能夠為您做所有麻煩的工作，但這個方法會讓您 構(gòu)建出極其動態(tài)的應(yīng)用程序，它們可以再運行時被擴(kuò)展。

調(diào)用 ELF 對象中的目標(biāo)函數(shù)后，通過調(diào)用 dlclose 來關(guān)閉對它的訪問。

清 單 3 展示了一個如何使用這個測試程序的例子。在這個例子中，首先編譯程序而后執(zhí)行它。接著調(diào)用了 math 庫（libm.so）中的幾個函數(shù)。完成演示后，程序現(xiàn)在能夠用動態(tài)加載來調(diào)用共享對象（庫）中的任意函數(shù)了。這是一個很強(qiáng)大的功能，通過它還能夠給程序 擴(kuò)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 提供了很多種查看和解析 ELF 對象（包括共享庫）的工具。其中最有用的一個當(dāng)屬 ldd 命令，您可以使用它來發(fā)送共享庫依賴項。例如，在 dl 應(yīng)用程序上使用 ldd 命令會顯示如下內(nèi)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 所告訴您的是：該 ELF 映像依賴于 linux-gate.so（一個特殊的共享對象，它處理系統(tǒng)調(diào)用，它在文件系統(tǒng)中無關(guān)聯(lián)文件）、libdl.so（DL API）、GNU C 庫（libc.so）以及 Linux 動態(tài)加載器（因為它里面有共享庫依賴項）。

readelf 命令是一個有很多特性的實用程序，它讓您能夠解析和讀取 ELF 對象。readelf 有一個有趣的用途，就是用來識別對象內(nèi)可再定位的項。對于我們這個簡單的程序來說（清單 2 展示的程序），您可以看到需要再定位的符號為：

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$

從這個列表中，您可以看到各種各樣的需要再定位（到 libc.so）的 C 庫調(diào)用，包括對 DL API（libdl.so）的調(diào)用。函數(shù) __libc_start_main 是一個 C 庫函數(shù)，它優(yōu)先于程序的 main 函數(shù)（一個提供必要初始化的 shell）而被調(diào)用。

其他操作對象文件的實用程序包括：objdump，它展示了關(guān)于對象文件的信息；nm，它列出來自對象文件（包括調(diào)試信息）的符號。還可以將 EFL 程序作為參數(shù)，直接調(diào)用 Linux 動態(tài)鏈接器，從而手動啟動映像：

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 選項來羅列 ELF 映像的依賴項（ldd 命令也如此）。切記，它僅僅是一個用戶空間程序，是由內(nèi)核在需要時引導(dǎo)的。