编译期链接时共享库搜索路径优先级实验

news2024/9/9 0:25:01

编译期链接时共享库搜索路径优先级实验

  • 前言
  • 实验环境
  • 目录说明
  • 准备工作
  • 单独测试
    • 不配置路径
    • 默认路径
    • LIBRARY_PATH
    • -L
  • 优先级测试
    • 默认路径和LIBRARY_PATH
    • -L和默认路径
  • DEBUG模式
    • 编译器配置详细信息
    • 链接器详细信息
    • DEBUG总结
    • 验证
  • 默认路径>LIBRARY_PATH原因
  • 附录
    • 库文件源码
    • 主程序源码
    • makefile

前言

《共享库链接和加载时的路径搜索优先级》中提到，使用g++时，共享库在编译期链接时的库路径搜索优先级为：-L指定的路径>LIBRARY_PATH记录的路径>默认路径。

本实验分三步验证上述结论
①单独测试每种方法指定的路径的可行性
②对比测试三种方法间的优先级
③使用DEBUG模式，查看链接器输出的详细信息，二次验证上述结论

值得注意的是，我看网上都说LIBRARY_PATH指定的路径优先级要大于默认路径的优先级，但是就我的测试结果来看，结论是相反的（可能是我使用了g++而不是直接使用底层的ld?）。

实验环境

操作系统：Ubuntu 20.04
编译器：g++-11.4.0
make：GNU Make 4.2.1

目录说明

项目的目录结构如下：

.
├── lib
├── obj
├── libhello.cpp
├── libhello_alt.cpp
├── main.cpp
└── makefile

其中：

  • lib为存放共享库的文件夹
  • obj为存放可重定位目标文件的文件夹
  • libhello.cpp和libhello_alt.cpp为共享库源码（用于模拟不同版本的共享库），他们中都只有一个hello函数，两个hello函数的函数签名完全相同。其中libhello.cpp将被编译为libhello.so.1.1.0（soname为libhello.so.1），libhello_alt.cpp将被编译为libhello.so.2.1.0（soname为libhello.so.2）
  • mian.cpp为主函数，其中调用了hello函数
  • makefile为自动化构建脚本

在附录中，我将提供本次实验涉及到的代码。

准备工作

在终端中进入项目路径，并输入make，会在./lib下生成libhello.so.1.1.0与libhello.so.2.1.0，在./obj下生成main.o。
生成后项目的目录结构如下：

.
├── lib
│   ├── libhello.so.1.1.0	
│   └── libhello.so.2.1.0
├── obj
│   └── main.o
├── libhello.cpp
├── libhello_alt.cpp
├── main.cpp
└── makefile

单独测试

不配置路径

不做任何路径的配置并且不在默认路径下放置libhello.so文件，查看是否可以将main.o和hello的共享库文件链接成功。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make main_none

输出：
在这里插入图片描述
可以看到由于我们没有配置任何额外的搜索路径，并且没有在默认搜索路径下放置libhello.so文件，链接器就找不到相应的共享库文件，就会链接失败。

单次实验结束后，使用make clean命令清除本次实验生成的文件，然后再次使用make命令重新生成共享库文件和可重定位目标文件。（每次做完一个小实验，都要重复此步骤，后不赘述）

默认路径

将libhello.so.1.1.0拷贝至默认搜索路径/usr/lib，并在/usr/lib下创建一个软链接（libhello.so）指向它，然后进行链接操作，查看是否可以将main.o和hello的共享库文件链接成功。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make main_default

输出：
在这里插入图片描述
没有报错。

然后使用readelf -d查看可执行文件的动态段信息，可见链接成功，共享库的soname已经被写入到可执行文件的动态段信息中了。
在这里插入图片描述

LIBRARY_PATH

创建路径/opt/hellolib，将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib，并在/opt/hellolib下创建一个软链接（libhello.so）指向它。然后将/opt/hellolib添加至LIBRARY_PATH并进行main.o和hello的共享库文件的链接操作，查看是否可以链接成功。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make main_library_path

输出：
在这里插入图片描述
没有报错。

然后使用readelf -d查看可执行文件的动态段信息，可见链接成功，共享库的soname已经被写入到可执行文件的动态段信息中了。
在这里插入图片描述

-L

创建路径/opt/hellolib，将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib，并在/opt/hellolib下创建一个软链接（libhello.so）指向它，然后添加链接选项-L/opt/hellolib并进行链接操作，查看是否可以将main.o和hello的共享库文件链接成功。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make main_l

输出：
在这里插入图片描述
没有报错。

然后使用readelf -d查看可执行文件的动态段信息，可见链接成功，共享库的soname已经被写入到可执行文件的动态段信息中了。
在这里插入图片描述

优先级测试

默认路径和LIBRARY_PATH

  • ①将libhello.so.2.1.0拷贝至默认搜索路径/usr/lib，并在/usr/lib下创建一个软链接（libhello.so）指向它。
  • ②创建路径/opt/hellolib，将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib，并在/opt/hellolib下创建一个软链接（libhello.so）指向它。
  • ③将/opt/hellolib添加至LIBRARY_PATH并进行main.o和hello的共享库文件的链接操作。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make cmp_default_libpath

输出：
在这里插入图片描述

然后使用readelf -d查看可执行文件的动态段信息，可见链接成功，并且链接的是默认路径下的共享库文件libhello.so.2.1.0（其soname为libhello.so.2）。因此可以得出结论：默认路径搜索优先级要高于LIBRARY_PATH指定的路径的搜索优先级。
在这里插入图片描述
对于上述结论，将会在后文的DEBUG模式中给出更详细的验证。

-L和默认路径

  • ①创建路径/opt/hellolib，将libhello.so.2.1.0拷贝至/opt/hellolib，并在/opt/hellolib下创建一个软链接（libhello.so）指向它。
  • ②将libhello.so.1.1.0拷贝至默认搜索路径/usr/lib，并在/usr/lib下创建一个软链接（libhello.so）指向它。
  • ③添加链接选项-L/opt/hellolib并进行main.o和hello的共享库文件的链接操作。

直接使用makefile中预设好的命令即可完成上述操作：

make cmp_l_default

输出：
在这里插入图片描述

然后使用readelf -d查看可执行文件的动态段信息，可见链接成功，并且链接的是-L指定路径下的共享库文件libhello.so.2.1.0（其soname为libhello.so.2）。因此可以得出结论：-L指定路径搜索优先级要高于默认搜索路径的搜索优先级。

在这里插入图片描述
对于上述结论，将会在后文的DEBUG模式中给出更详细的验证。

DEBUG模式

在makefile中我添加了一个用于对比三种路径优先级的目标cmp_all，其中

  • -L指定路径为/opt/hellolib_L
  • 默认路径为/usr/lib
  • LIBRARY_PATH指定路径为/opt/hellolib，.so文件（libhello.so.1.1.0的软链接）仅放置于此路径下。

此外我还预设了一个DEBUG模式，开启DEBUG模式可以查看编译过程的详细信息，开启的方法就是在命令后面添加DEBUG_MODE=1，例如：

make cmp_all DEBUG_MODE=1

下面我们就使用DEBUG模式运行cmp_all查看其输出（输出信息很多，我截取关键部分讲解）：

编译器配置详细信息

我们先看一下gcc在编译过程中输出的编译器配置详细信息：

在这里插入图片描述
图片中的文字内容如下：

LIBRARY_PATH=
	/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/:
	/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu/:
	/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/:
	/lib/x86_64-linux-gnu/:
	/lib/../lib/:
	/usr/lib/x86_64-linux-gnu/:
	/usr/lib/../lib/:
	/opt/hellolib/:
	/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../:
	/lib/:
	/usr/lib/

我们可以发现编译器列出了系统环境变量LIBRARY_PATH的内容，包含：

  • ①我们向环境变量添加的/opt/hellolib/，其所处位置应该是由编译器规定的
  • ②系统默认的库路径（/usr/lib和/lib），位于最后
  • ③根据编译器配置自动添加的路径，如/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/等

然后再往下看，COLLECT_GCC_OPTIONS列出了传递给g++的一些选项：

在这里插入图片描述
图片中的文字内容如下（省略了一部分不需要关注的）：

COLLECT_GCC_OPTIONS=...
	-L/opt/hellolib_L
	-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11 
	-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../x86_64-linux-gnu 
	-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib 
	-L/lib/x86_64-linux-gnu 
	-L/lib/../lib 
	-L/usr/lib/x86_64-linux-gnu 
	-L/usr/lib/../lib 
	-L/opt/hellolib 
	-L/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../.. 
	...

可以发现：

  • ①我们通过-L显式添加的路径/opt/hellolib_L被排在了最前面
  • ②LIBRARY_PATH中的路径（除了/usr/lib/和/lib/，原因暂时未知），都被加上-L并传给了COLLECT_GCC_OPTIONS，并排在/opt/hellolib_L之后。

链接器详细信息

然后我们再看链接器输出的详细信息：
在这里插入图片描述
图片中的文字内容如下：

SEARCH_DIR("=/usr/local/lib/x86_64-linux-gnu"); 
SEARCH_DIR("=/lib/x86_64-linux-gnu"); 
SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu"); 
SEARCH_DIR("=/usr/lib/x86_64-linux-gnu64"); 
SEARCH_DIR("=/usr/local/lib64"); 
SEARCH_DIR("=/lib64"); 
SEARCH_DIR("=/usr/lib64"); 
SEARCH_DIR("=/usr/local/lib"); 
SEARCH_DIR("=/lib"); 
SEARCH_DIR("=/usr/lib"); 
SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib64"); 
SEARCH_DIR("=/usr/x86_64-linux-gnu/lib");

SEARCH_DIR指令是用来指定链接器在搜索动态和静态库文件时应当考虑的目录，这些路径通常包括系统的标准库目录，如/usr/lib和/lib等。但是注意，通过-L指定的路径会在运行时临时添加到SEARCH_DIR列表的前面，即-L指定的路径搜索优先级更高。

DEBUG总结

至此，我们可以简单总结一下上述信息：

  • 我们设置的LIBRARY_PATH的值会传给编译器
  • 编译器根据自己的配置以及我们手动赋予的LIBRARY_PATH变量的值，生成一个新的LIBRARY_PATH（我们手动赋予的LIBRARY_PATH变量的值处于一个特定的位置），并将这个新的LIBRARY_PATH的值(除了/usr/lib和/lib)加上-L传递给编译器
  • 我们显式使用-L指定的路径也被传递给编译器，并位于所有-L选项的最前面

而且对于编译器配置的路径，如/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/，其本质就是/usr/lib/（这也是默认路径优先级大于LIBRARY_PATH指定路径优先级的原因）。

因此对于-L指定路径，LIBRARY_PATH指定路径和默认路径，最终都被转化为-L的形式传递给编译器，且他们排列优先级为：

-L指定路径>默认路径>LIBRARY_PATH指定路径

因此他们的搜索优先级也是符合上述排列。

验证

最后我们可以通过链接器在链接特定库（比如我们的libhello）时的搜索过程验证上述结论：
在这里插入图片描述
可见链接器先是搜索我们使用-L指定的路径/opt/hellolib_L，然后搜索编译器配置的路径/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/（其本质就是默认路径/usr/lib/），最后搜索LIBRARY_PATH指定的路径/opt/hellolib。证明了编译过程中链接时库搜索路径的优先级为

-L指定路径>默认路径>LIBRARY_PATH指定路径

默认路径>LIBRARY_PATH原因

如上文所述，g++根据自己的配置将例如：

/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/11/../../../../lib/

的路径添加到了LIBRARY_PATH中，而且位于用户设置的LIBRARY_PATH之前。这个路径的本质就是/usr/lib/。这就导致最终出现默认路径搜索优先级大于LIBRARY_PATH指定路径的搜索优先级的现象。

至于手动使用ld去链接.o和.so文件，后面有机会再做测试。

附录

库文件源码

//file: libhello.cpp
#include <iostream>
void hello()
{
    std::cout << "Hello from the 1.1.0 library!" << std::endl;
}

//file: libhello_alt.cpp
#include <iostream>
void hello()
{
    std::cout << "Hello from the 2.1.0 library!" << std::endl;
}

主程序源码

//file: main.cpp
extern void hello();
int main()
{
    hello();
    return 0;
}

makefile

//file: makefile
CXX = g++
CXXFLAGS = -fPIC
LDFLAGS = -shared
DEBUG_MODE ?= 0

ifeq ($(DEBUG_MODE),1)
    DEBUG_OPTS = -v -Wl,--verbose
endif

all: lib/libhello.so.1.1.0 lib/libhello.so.2.1.0 obj/main.o

lib/libhello.so.1.1.0: libhello.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $^ $(LDFLAGS) -Wl,-soname,libhello.so.1

lib/libhello.so.2.1.0: libhello_alt.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $^ $(LDFLAGS) -Wl,-soname,libhello.so.2

obj/main.o: main.cpp
	$(CXX) -c -o $@ $^

# 在任何路径下都无法搜索到libhello.so
main_none: obj/main.o
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -lhello

# 测试默认路径/usr/lib 
main_default: obj/main.o
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
	ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -lhello

# 测试仅使用LIBRARY_PATH
main_library_path: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib
	ln -sf /opt/hellolib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib/libhello.so
	LIBRARY_PATH=/opt/hellolib $(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -lhello

# 测试仅使用-L
main_l: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib
	ln -sf /opt/hellolib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib/libhello.so
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -L/opt/hellolib -lhello

# 比较默认路径和LIBRARY_PATH的搜索优先级
cmp_default_libpath: obj/main.o
	cp ./lib/libhello.so.2.1.0 /usr/lib
	ln -sf /usr/lib/libhello.so.2.1.0 /usr/lib/libhello.so
	mkdir -p /opt/hellolib
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib
	ln -sf /opt/hellolib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib/libhello.so
	LIBRARY_PATH=/opt/hellolib $(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -lhello

# 比较-L和默认路径的优先级
cmp_l_default: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib
	cp ./lib/libhello.so.2.1.0 /opt/hellolib
	ln -sf /opt/hellolib/libhello.so.2.1.0 /opt/hellolib/libhello.so
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
	ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -L/opt/hellolib -lhello

# 总体比较测试，集合了显示-L，LIBRARY_PATH和默认路径
cmp_all: main.cpp
	mkdir -p /opt/hellolib
	mkdir -p /opt/hellolib_L
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib
	ln -sf /opt/hellolib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib/libhello.so
	LIBRARY_PATH=/opt/hellolib $(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -L/opt/hellolib_L -lhello

clean:
	rm -f ./lib/* ./obj/* main_* cmp_*
	rm -f /usr/lib/libhello.so*
	rm -rf /opt/hellolib*
	ldconfig
	
.PHONY: clean main_none main_default main_library_path  main_l cmp_default_libpath cmp_l_default cmp_all

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