OS - Shared Library Organization

Created by : Mr Dk.

2020 / 06 / 30 16:28

Nanjing, Jiangsu, China

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本文内容来自于 程序员的自我修养 - 链接、装载与库，俞甲子 石凡 潘爱民著。

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由于大量程序使用动态链接机制，导致系统中存在大量的共享对象。为了便于维护、升级，OS 一般会对共享对象的目录组织和使用方法有一定的规则。

共享库兼容性

理论上，只需要将新版本的共享库将旧版本的共享库替换即可，但是共享库版本的更新可能导致接口的更改或删除。共享库的更新分为：

• 兼容更新 - 所有原有接口保持不变
• 不兼容更新 - 更新改变了共享库的原有接口

这里所谓的接口是 二进制接口 (Application Binary Interface, ABI)。导致 ABI 发生改变的行为有：

• 导出函数的行为发生改变 (调用该函数以后产生的结果不一样)
• 导出函数被删除
• 导出数据的结构发生变化 (比如结构体定义发生改变)
• 导出函数的接口发生变化 (函数返回值、参数)

共享库版本命名

Linux 的共享库命名规则：lib<name>.so.x.y.z

• x - 主版本号 (重大升级，不同主版本号的库不兼容)
• y - 次版本号 (增量升级，增加新的接口符号，保持原有符号不变)
• z - 发布版本号 (错误修正、性能改进，接口不变)

Linux 和 Solaris 使用 SO-NAME 的命名机制来记录共享库的依赖关系。SO-NAME 即共享库文件名去掉次版本号和发布版本号：如对 libfoo.so.2.6.1，SO-NAME 为 libfoo.so.2。SO-NAME 定死了共享库的接口，相同 SO-NAME 的库，次版本号高的兼容次版本号低的。在 Linux 中，系统为每个共享库创建一个名称为 SO-NAME 的符号链接：

$ ls -alt libthread*
lrwxrwxrwx 1 root root    19 6月   4 22:24 libthread_db.so.1 -> libthread_db-1.0.so
-rw-r--r-- 1 root root 35648 4月  17  2018 libthread_db-1.0.so

由于历史原因，动态链接器 (ld.so) 和 C 库的共享对象不按 Linux 标准的命名机制走。

SO-NAME 软链接会指向主版本号相同，剩余版本号最新的共享库。对于所有依赖共享库的模块来说，在编译、链接和运行时，都使用共享库的 SO-NAME。在动态链接的 .dynamic 中记录了依赖的共享对象名称，有时，系统中无需保留能被新版本兼容的旧版本共享对象。因此，只需要将 SO-NAME 记录到 .dynamic 中，就能使动态链接器根据 SO-NAME 自动定向到系统上最新版本的兼容共享库。

Linux 上的 ldconfig 工具在安装或更新共享库时，会遍历系统中的所有共享库目录，并更新所有软链接，使其指向最新版本的共享库。

由于动态链接器只根据 SO-NAME 判断共享对象版本，当程序依赖次版本号较高的共享库，而运行在次版本号较低的共享库系统上时，就可能缺少一些符号。因为共享库只保证向后兼容，并不保证向前兼容，这称为 次版本号交会问题。SO-NAME 无法解决这个问题，而现代的系统使用 符号版本机制 来解决这个问题。

共享库系统路径

大多数开源操作系统遵循 FHS (File Hierarchy Standard) 标准存放系统文件。FHS 规定一个系统中主要有三个存放共享库的位置：

• /lib - 存放系统最关键和基础的共享库，主要被 /bin 和 /sbin 下的程序使用
• /usr/lib - 系统所需但非关键的共享库
• /usr/local/lib - 保存于 OS 本身并不相关的库，主要是一些第三方的应用程序库

共享库查找过程

动态链接器的查找规则：

• 绝对路径 - 直接查找
• 相对路径
  • /lib
  • /usr/lib
  • /etc/ld.so.conf 配置文件

另外 ldconfig 程序会将 SO-NAME 收集起来，存放到 /etc/ld.so.cache 中，并建立 SO-NAME 缓存用于快速查找。所以理论上来说，在系统指定的共享库目录下更新库后，都应当运行 ldconfig，以便调整 SO-NAME 和缓存。

通过修改环境变量，可以改变动态链接器装载共享库路径的方法。

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