运行时链接

基本概念

运行时链接，是在程序运行时（而非编译时或加载时）将程序代码与其依赖的库代码进行链接的过程。动态链接在程序启动时或实际运行过程中通过API函数完成。这种方式的主要优点是它允许程序在运行时加载和卸载不同的库模块，从而实现更高的模块化和灵活性。

在C语言的上下文中，运行时链接通常通过动态链接库（例如 .so 文件在Unix-like系统中，.dll 文件在Windows系统中）来实现。

以下是运行时链接的基本概念和步骤：

1. 动态链接库：与静态库（如 .a 或 .lib 文件）不同，动态链接库包含可以被多个程序共享的代码。这意味着可以在多个程序中使用同一份库代码的物理副本。

2. 延迟加载：程序不需要在启动时加载所有依赖的库。它可以选择在运行时的某个特定点加载需要的库。

3. API函数：操作系统提供的API函数允许程序在运行时打开、查询和关闭动态链接库。在Unix-like系统中，这些函数通常包括 dlopen(), dlsym(), dlclose() 和 dlerror()。

dl**函数族

dlopen(), dlsym(), dlclose(), 和 dlerror() 是在 Unix-like 系统中用于动态加载共享对象（通常是.so文件，在macOS上是.dylib文件）和执行它们的接口的函数。这组API被称为“动态链接器接口”。

1. dlopen():

   • 用途：打开一个共享对象或可执行文件。
   • 原型：

     void *dlopen(const char *filename, int flag);
     

   • 参数：
     • filename：要加载的共享对象的路径。
     • flag：定义如何加载和解析对象。常见的标志包括 RTLD_LAZY（在初次调用时解析符号）和 RTLD_NOW（立即解析所有符号）。
   • 返回值：返回一个句柄，该句柄在后续的调用（如dlsym()和dlclose()）中使用。如果有错误，返回NULL。

2. dlsym():

   • 用途：获取共享对象中函数或变量的地址。
   • 原型：

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

   • 参数：
     • handle：由 dlopen() 返回的句柄。
     • name：要查找的符号的名称。
   • 返回值：返回符号的地址。如果有错误，返回NULL。

3. dlclose():

   • 用途：关闭 dlopen() 打开的共享对象，并减少其引用计数。
   • 原型：

     int dlclose(void *handle);
     

   • 参数：
     • handle：由 dlopen() 返回的句柄。
   • 返回值：成功时返回0，失败时返回非零值。

4. dlerror():

   • 用途：返回描述上一次调用 dlopen(), dlsym(), 或 dlclose() 时出现的错误的字符串。
   • 原型：

     char *dlerror(void);
     

   • 返回值：如果没有错误，返回NULL。否则，返回描述错误的字符串。

使用这些函数可以在运行时动态地加载、链接和调用共享库中的函数，而不需要在编译时静态地链接它们。这为编写可插拔和可扩展的代码提供了很大的灵活性。

综合案例

以下是一个简单的示例，演示了如何使用 dlopen(), dlsym(), dlclose(), 和 dlerror() 来动态加载一个共享库，并调用其中的函数。

假设我们有一个共享库 libgreeting.so，其中包含一个函数 void greet(const char* name)：

libgreeting.c:

#include 

void greet(const char* name) {
    printf("Hello, %s!\n", name);
}

可以使用以下命令编译此共享库：

gcc -shared -o libgreeting.so libgreeting.c -fPIC

现在，我们将写一个程序来动态加载这个共享库，并调用 greet() 函数：

main.c:

#include 
#include 

int main() {
    void* handle;
    void (*greet_func)(const char*);

    char* error;

    handle = dlopen("./libgreeting.so", RTLD_LAZY);
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "%s\n", dlerror());
        return 1;
    }

    // 清除现有的错误，如果有的话
    dlerror();

    greet_func = (void (*)(const char*)) dlsym(handle, "greet");
    if ((error = dlerror()) != NULL)  {
        fprintf(stderr, "%s\n", error);
        return 1;
    }

    greet_func("world");

    dlclose(handle);
    return 0;
}

编译主程序：

gcc main.c -o main -ldl

运行 main，应该看到输出 Hello, world!。

这个示例展示了如何使用动态链接器接口来在运行时加载共享库，并动态地调用其中的函数。这为编写灵活、可插拔的程序提供了可能性。

注1：

gcc -shared -o libgreeting.so libgreeting.c -fPIC

这个命令是使用 gcc 编译器来生成一个共享库。让我们一步步地解析这个命令：

1. gcc:

   • 这是GNU C编译器。它用于编译C程序。

2. -shared:

   • 这个选项告诉编译器我们希望生成一个共享库，而不是可执行文件。共享库（在Linux中通常是 .so 文件，在macOS中是 .dylib 文件）可以被多个程序共享并在运行时动态加载。

3. -o libgreeting.so:

   • -o 选项用于指定输出文件的名称。在这里，我们要生成的共享库名称为 libgreeting.so。

4. libgreeting.c:

   • 这是我们要编译的源文件。它包含了我们的代码，特别是 greet 函数的实现。

5. -fPIC:

   • 这是一个编译选项，意为“生成位置无关代码（Position Independent Code）”。位置无关代码意味着生成的代码可以在任何地址执行，这对于共享库是必要的，因为我们不知道加载它的程序将把它放在何处。
   • 当创建共享库时，使用 -fPIC 是很重要的，因为它确保库中的代码不依赖于任何固定的地址。

总之，这个命令告诉 gcc 从 libgreeting.c 源文件生成一个名为 libgreeting.so 的共享库，并确保生成的代码是位置无关的。

注2:

gcc main.c -o main -ldl

-ldl 是一个 gcc 编译选项，用于链接程序时链接到特定的库。在这种情况下，它告诉链接器链接到动态链接器的库。具体来说，-l 选项告诉链接器链接到一个库，而 dl 指定了库的名字（在这里是 libdl.so 或 libdl.a）。

这里的 “dl” 指的是 “dynamic linking”（动态链接），它是一个库，提供了用于动态加载共享对象、查询它们的符号等操作的函数。这就是我们在前面的例子中使用 dlopen(), dlsym(), dlclose(), 和 dlerror() 函数的原因。

为了能够在程序中使用这些函数，并在运行时解析它们的地址，需要链接到 libdl。这就是为什么我们需要 -ldl 选项。

简而言之：

• -l: 告诉 gcc 我们要链接到一个库。
• dl: 指定我们要链接到的库的名字，即动态链接库（libdl）。

因此，-ldl 确保我们的程序被正确地链接到 libdl，从而可以使用动态链接相关的函数。

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总之，运行时链接提供了以下优点：

• 共享代码：多个程序可以共享同一个库的物理副本。
• 模块化：程序可以根据需要加载或卸载特定模块。
• 更新和修补：可以通过替换库文件来更新或修补程序的部分，而无需重新编译或重新链接整个程序。