如何在Linux上实现共享库的延迟加载

Question

我一直在寻找一种方法使一个共享库（我们将库命名为 libbar.so ）在Linux上被延迟加载，并希望只有链接器的帮助就可以实现，而不需要修改用C++编写的源代码; 我的意思是，我不想在父库（命名为libfoo.so）的源代码中调用dlopen()或dlsym()以调用libbar.so的函数，因为它们会使源代码混乱且维护过程困难。 （简而言之，我希望在Linux上采用类似于Visual Studio的/DELAYLOAD选项的方式）

无论如何，到目前为止，我在互联网上找到了一些与我的问题相关的不确定信息，因此很高兴能从以下问题的答案中获得清晰的信息。

1. GNU ld是否支持Linux上的任何延迟加载机制？
2. 如果不支持，那么Clang呢？
3. dlopen()系列是在Linux上使共享库延迟加载的唯一方法吗？

我尝试使用路径将-zlazy标志传递给GCC（g ++），它似乎接受了该标志，但行为看起来并没有使libbar.so延迟加载（不具备libbar.so ，我期望在第一次调用libbar.so时有一个异常，但实际上在进入libfoo.so之前就引发了异常）。另一方面，Clang（clang ++）留下了一个警告，说它忽略了选项标志。

此致,

- Doofah

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clang使用GNU ld进行链接（至少在3.4及更早版本中），因此您在那里找不到任何帮助。 - Mats Petersson

之前被问到过：https://dev59.com/XE7Sa4cB1Zd3GeqP1Sxv - oakad

@oakad，谢谢 :) 我也找到了那篇帖子。所以你认为GNU ld真的不支持任何延迟加载机制，我们必须将dlopen()放入我们的源代码中吗？（哦，即使这是真的，我也不想接受这个事实...） - Doofah

根据我对ld手册的阅读，-zlazy（应该是-z lazy）会使您链接的库（在您的情况下为libfoo.so）延迟加载其调用者。对于您想要的内容，必须在构建libbar.so时应用此标志。但是手册还说“惰性绑定是默认的”，因此libbar.so应该已经链接了这个标志。 - msc

我之前的评论是错误的。我误解了手册。-z lazy 是用于符号的惰性绑定，而不是库的惰性加载。 - msc

Answer 1

延迟加载不是运行时特性。MSVC++在没有Windows的帮助下实现了它。就像在Linux上只有dlopen一样，在Windows上只有GetProcAddress这种运行时方法。

那么，延迟加载是什么？很简单：对DLL的任何调用都必须通过指针进行（因为你不知道它将在哪里加载）。这一直由编译器和连接器为您处理。但是使用延迟加载，MSVC++最初将此指针设置为调用LoadLibrary和GetProcAddress的存根。

Clang可以在没有ld的帮助下执行相同的操作。在运行时，它只是一个普通的dlopen调用，而Linux无法确定Clang插入了它。

- MSalters

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@ MSalters，再次感谢。您的意思是Clang可以自己处理延迟加载吗？实际上，我希望能够隐式地通过向编译器或链接器传递选项标志来获得像MSVC ++提供给我们的辅助函数（尽管我忘记了辅助函数的名称），因为该机制将所有内容隐藏在延迟加载的函数调用后面（因此用户不必关心这样的辅助函数是否在我们的源代码下被调用）。 - Doofah

是的，**__delayLoadHelper2** 是辅助函数! 可能一些编译器或链接器（例如 Sun 的某些东西或 Apple 的 ld64）必须提供这样的辅助函数，但我不知道在 Linux 上发生了什么。（而我对 Linux 是非常陌生的 ;) - Doofah

@user3591878：Linux上的GCC有一个不幸的习惯，混淆了操作系统和编译器之间的区别，但这是UNIX的传统（请参见ld与ld.so）。你是新手对Linux并不重要，因为Linux本身并不重要。重要的是GCC和CLang。它们可以在任何具有dlopen的操作系统上实现延迟加载。但这并不意味着它们已经这样做了。 - MSalters

@MSalters，我明白你的意思，非常感谢你让问题更加清晰 :) 无论如何，我得到的结果似乎表明调用dlopen()是这种情况下唯一的选择... - Doofah

@user3591878：不好意思，没有。 - MSalters

@MSalters "并不意味着他们实际上已经这样做了" - 没有内置的解决方案，但可以通过一些小的努力来完成，参见Implib.so。 - yugr

Answer 2

使用代理设计模式可以以便携的方式实现此功能。

在代码中，它可能是这样的：

#include <memory>

// SharedLibraryProxy.h
struct SharedLibraryProxy
{
    virtual ~SharedLibraryProxy() = 0;

    // Shared library interface begin.
    virtual void foo() = 0;
    virtual void bar() = 0;
    // Shared library interface end.

    static std::unique_ptr<SharedLibraryProxy> create();
};

// SharedLibraryProxy.cc
struct SharedLibraryProxyImp : SharedLibraryProxy
{
    void* shared_lib_ = nullptr;
    void (*foo_)() = nullptr;
    void (*bar_)() = nullptr;

    SharedLibraryProxyImp& load() {
        // Platform-specific bit to load the shared library at run-time.
        if(!shared_lib_) { 
            // shared_lib_ = dlopen(...);
            // foo_ = dlsym(...)
            // bar_ = dlsym(...)
        }
        return *this;
    }

    void foo() override {
        return this->load().foo_();
    }

    void bar() override {
        return this->load().bar_();
    }
};

SharedLibraryProxy::~SharedLibraryProxy() {}

std::unique_ptr<SharedLibraryProxy> SharedLibraryProxy::create() {
    return std::unique_ptr<SharedLibraryProxy>{new SharedLibraryProxyImp};
}

// main.cc
int main() {
    auto shared_lib = SharedLibraryProxy::create();
    shared_lib->foo();
    shared_lib->bar();
}

- Maxim Egorushkin

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@ Maxim，感谢您留下实用的伪代码。这个设计模式看起来非常有帮助，可以桥接两个库 :) - Doofah

这仅适用于函数。除非在运行时链接器中实现，否则变量无法实现。问题仍然是是否可能。 - Lothar

@Lothar 你是怎么得出这个结论的？这种机制适用于函数和对象。 - Maxim Egorushkin

Answer 3

为了补充MSalters的回答，我们可以通过创建一个小的静态存根库来模仿Windows在Linux上的懒加载方法。该库在第一次调用其任何函数时会尝试dlopen所需的库（如果dlopen失败，则发出诊断消息并终止），然后将所有调用转发给它。

这样的存根库可以手动编写，由项目/库特定脚本生成或由通用工具Implib.so生成：

$ implib-gen.py libxyz.so
$ gcc myapp.c libxyz.tramp.S libxyz.init.c ...

- yugr