linux 调用动态库so文件

记录一个面试被问到的问题。
extern 有什么用途？
除了多文件共享全局变量外还有呢？
extern "C" 的功能？
我想看完这篇文章就可以知道第三个问题了。
关于动态调用动态库方法说明
一、 动态库概述
1、 动态库的概念
日常编程中，常有一些函数不需要进行编译或者可以在多个文件中使用（如数据库输入/输出操作或屏幕控制等标准任务函数）。可以事先对这些函数进行编译，然后将它们放置在一些特殊的目标代码文件中，这些目标代码文件就称为库。库文件中的函数可以通过连接程序与应用程序进行链接，这样就不必在每次开发程序时都对这些通用的函数进行编译了。
动态库是一种在已经编译完毕的程序开始启动运行时，才被加载来调用其中函数的库。其加载方式与静态库截然不同。
2、 动态库的命名
Linux下，动态库通常以.so(share object)结尾。(通常/lib和/usr/lib等目录下存在大量系统提供的以.so结尾的动态库文件)
Windows下，动态库常以.dll结尾。(通常C:\windows\System32等目录下存在大量系统提供的以.dll结尾的动态库文件)
3、 动态库与静态库之间的区别
静态库是指编译连接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，所以生成的文件较大，但运行时，就不再需要库文件了。即，程序与静态库编译链接后，即使删除静态库文件，程序也可正常执行。
动态库正好相反，在编译链接时，没有把库文件的代码加入到可执行文件中，所以生成的文件较小，但运行时，仍需要加载库文件。即，程序只在执行启动时才加载动态库，如果删除动态库文件，程序将会因为无法读取动态库而产生异常。
二、 Linux下动态调用动态库
备注：以下linux实例说明都是在RedHat 5.1系统+ gcc 版本 4.1.2 20080704 (Red Hat 4.1.2-46)上实现。
1、 .so动态库的生成
可使用gcc或者g++编译器生成动态库文件(此处以g++编译器为例)
g++ -shared -fPIC -c XXX.cpp
g++ -shared -fPIC -o XXX.so XXX.o
2、 .so动态库的动态调用接口函数说明
动态库的调用关系可以在需要调用动态库的程序编译时，通过g++的-L和-l命令来指定。例如：程序test启动时需要加载目录/root/src/lib中的libtest_so1.so动态库，编译命令可照如下编写执行：
g++ -g -o test test.cpp –L/root/src/lib –ltest_so1
（此处，我们重点讲解动态库的动态调用的方法，关于静态的通过g++编译命令调用的方式不作详细讲解，具体相关内容可上网查询)

Linux下，提供专门的一组API用于完成打开动态库，查找符号，处理出错，关闭动态库等功能。
下面对这些接口函数逐一介绍（调用这些接口时，需引用头文件#include )：
1) dlopen
函数原型：void *dlopen(const char *libname,int flag);
功能描述：dlopen必须在dlerror，dlsym和dlclose之前调用，表示要将库装载到内存，准备使用。如果要装载的库依赖于其它库，必须首先装载依赖库。如果dlopen操作失败，返回NULL值；如果库已经被装载过，则dlopen会返回同样的句柄。
参数中的libname一般是库的全路径，这样dlopen会直接装载该文件；如果只是指定了库名称，在dlopen会按照下面的机制去搜寻：
a.根据环境变量LD_LIBRARY_PATH查找
b.根据/etc/ld.so.cache查找
c.查找依次在/lib和/usr/lib目录查找。
flag参数表示处理未定义函数的方式，可以使用RTLD_LAZY或RTLD_NOW。RTLD_LAZY表示暂时不去处理未定义函数，先把库装载到内存，等用到没定义的函数再说；RTLD_NOW表示马上检查是否存在未定义的函数，若存在，则dlopen以失败告终。
2) dlerror
函数原型：char *dlerror(void);
功能描述：dlerror可以获得最近一次dlopen,dlsym或dlclose操作的错误信息，返回NULL表示无错误。dlerror在返回错误信息的同时，也会清除错误信息。
3) dlsym
函数原型：void *dlsym(void *handle,const char *symbol);
功能描述：在dlopen之后，库被装载到内存。dlsym可以获得指定函数(symbol)在内存中的位置(指针)。如果找不到指定函数，则dlsym会返回NULL值。但判断函数是否存在最好的方法是使用dlerror函数，
4) dlclose
函数原型：int dlclose(void *);
功能描述：将已经装载的库句柄减一，如果句柄减至零，则该库会被卸载。如果存在析构函数，则在dlclose之后，析构函数会被调用。
3、 普通函数的调用
此处以源码实例说明。各源码文件关系如下：
test_so1.h和test_so1.cpp生成test_so1.so动态库。
test_so2.h和test_so2.cpp生成test_so2.so动态库。
test_dl.cpp生成test_dl可执行程序，test_dl通过dlopen系列等API函数，并使用函数指针以到达动态调用不同so库中test函数的目的。
////////////////////////////////test_so1.h//////////////////////////////////////////////////////
#include
#include
extern "C" {
int test(void);
}

////////////////////////////////ttest_so1.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include "test_so1.h"
int test(void)
{
printf("USING TEST_SO1.SO NOW!\n");//注意此处与test_so2.cpp中的
//test函数的不同
return 1;
}

//////////////////////////////// test_so2.h //////////////////////////////////////////////////////
#include
#include
extern "C" {
int test(void);
}

////////////////////////////////ttest_so2.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include "test_so2.h"
int test(void)
{
printf("USING TEST_SO2.SO NOW!\n");//注意此处与test_so1.cpp中的
//test函数的不同
return 1;
}

////////////////////////////////test_dl.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include
#include
#include

int main(int argc, char **argv)
{
if(argc!=2)
{
printf("Argument Error! You must enter like this:\n");
printf("./test_dl test_so1.so\n");
exit(1);
}

void *handle;
char *error;
typedef void (*pf_t)(); //声明函数指针类型

handle = dlopen (argv[1], RTLD_NOW); //打开argv[1]指定的动态库

if (!handle)
{
fprintf (stderr, "%s\n", dlerror());
exit(1);
}

dlerror();
pf_t pf=(pf_t)dlsym(handle,"test" ); //指针pf指向test在当前内存中的地址
if ((error = dlerror()) != NULL)
{
fprintf (stderr, "%s\n", error);
exit(1);
}
pf(); //通过指针pf的调用来调用动态库中的test函数
dlclose(handle); //关闭调用动态库句柄
return 0;
}

////////////////////////////////makefile//////////////////////////////////////////////////////
.SUFFIXES: .c .cpp .o
CC=g++ -shared -fPIC
GCC=g++

all:test_so1.so test_so2.so test_dl clean

OBJ1=test_so1.o
OBJ2=test_so2.o
OBJ3=test_dl.o

test_so1.so:$(OBJ1)
$(CC) -o $@ $?
cp $@ /usr/lib

test_so2.so:$(OBJ2)
$(CC) -o $@ $?
cp $@ /usr/lib

test_dl:$(OBJ3)
$(GCC) -o $@ $? -ldl

.cpp.o:
$(CC) -c $*.cpp
.c.o:
$(CC) -c $*.c
clean:
rm -f *.o

上述源程序中，需重点注意两个问题：
1、test_dl.cpp中，对于动态库中的test函数调用是通过函数指针来完成的。
2、test_so1.h和test_so2.h中都使用了extern "C"。
在每个C++程序（或库、目标文件）中，所有非静态（non-static）函数在二进制文件中都是以“符号（symbol）”形式出现的。这些符号都是唯一的字符串，从而把各个函数在程序、库、目标文件中区分开来。
在C中，符号名正是函数名：strcpy函数的符号名就是“strcpy”。这可能是因为两个非静态函数的名字一定各不相同的缘故。
而C++允许重载（不同的函数有相同的名字但不同的参数），并且有很多C所没有的特性──比如类、成员函数、异常说明──几乎不可能直接用函数名作符号名。为了解决这个问题，C++采用了所谓的name mangling。它把函数名和一些信息（如参数数量和大小）杂糅在一起，改造成奇形怪状，只有编译器才懂的符号名。例如，被mangle后的foo可能看起来像foo@4%6^，或者，符号名里头甚至不包括“foo”。
其中一个问题是，C++标准（目前是[ISO14882]）并没有定义名字必须如何被mangle，所以每个编译器都按自己的方式来进行name mangling。有些编译器甚至在不同版本间更换mangling算法（尤其是g++ 2.x和3.x）。即使您搞清楚了您的编译器到底怎么进行mangling的，从而可以用dlsym调用函数了，但可能仅仅限于您手头的这个编译器而已，而无法在下一版编译器下工作。
用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名，就像C函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为extern "C"，并且不能被重载。尽管限制多多，extern "C"函数还是非常有用，因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern "C"限定符后，并不意味着函数中无法使用C++代码了，相反，它仍然是一个完全的C++函数，可以使用任何C++特性和各种类型的参数。所以extern "C" 只是告诉编译器编和链接的时候都用c的方式的函数名字，函数里的内容可以为c的代码也可以为c++的。

执行makefile正常编译后，可生成test_so1.so、test_so2.so动态库以及test_dl执行程序。可执行test_dl，显示结果如下：
[root@localhost so_src]# ./test_dl test_so1.so
USING TEST_SO1.SO NOW!
[root@localhost so_src]# ./test_dl test_so2.so
USING TEST_SO2.SO NOW!
[root@localhost so_src]# ./test_dl
Argument Error! You must enter like this:
./test_dl test_so1.so

备注：如果我们去掉test_so1.h和test_so2.h中的extern "C"，重新编译执行后将可能会出现什么情况？有兴趣的朋友可以试下：
[root@localhost so_src]# ./test_dl test_so1.so
/usr/lib/test_so1.so: undefined symbol: test
[root@localhost so_src]# ./test_dl test_so2.so
/usr/lib/test_so2.so: undefined symbol: test

4、 类的调用
加载类有点困难，因为我们需要类的一个实例，而不仅仅是一个函数指针。我们无法通过new来创建类的实例，因为类是在动态库中定义的而不是在可执行程序中定义的，况且有时候我们连动态库中具体的类的名字都不知道。
解决方案是：利用多态性！我们在可执行文件中定义一个带虚成员函数的接口基类，而在模块中定义派生实现类。通常来说，接口类是抽象的（如果一个类含有虚函数，那它就是抽象的）。因为动态加载类往往用于实现插件，这意味着必须提供一个清晰定义的接口──我们将定义一个接口类和派生实现类。
接下来，在模块中，我们会定义两个附加的类工厂函数（class factory functions）（或称对象工厂函数）。其中一个函数创建一个类实例，并返回其指针；另一个函数则用以销毁该指针。这两个函数都以extern "C"来限定修饰。

实例如下：
test_base.hpp中定义一个含有纯虚函数virtual void display() const = 0的基类。
test_1.cpp中定义继承类test1，并实现虚函数virtual void display() const的定义，并实现一个创建类函数和一个销毁类指针函数。
test_2.cpp中定义继承类test2，并实现虚函数virtual void display() const的定义，并实现一个创建类函数和一个销毁类指针函数。
main.cpp中实现动态的调用不同库中的display()方法。
////////////////////////////////test_base.hpp//////////////////////////////////////////////////////
#ifndef TEST_BASE_HPP
#define TEST_BASE_HPP

#include
using namespace std;

class test_base {

public:
test_base(){}

virtual ~test_base() {}

void call_base() {
cout << "call base" << endl;
}

virtual void display() const = 0 ;
};

// the types of the class factories
typedef test_base* create_t();
typedef void destroy_t(test_base*);

#endif

////////////////////////////////test1.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include "test_base.hpp"

class test1 : public test_base {
public:
virtual void display() const {
cout << "Running in test1.so Now" << endl;
}
};


// the class factories
extern "C" test_base* create() {
return new test1;
}

extern "C" void destroy(test_base* p) {
delete p;
}

////////////////////////////////test1.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include "test_base.hpp"

class test2 : public test_base {
public:
virtual void display() const {
cout << "Running in test2.so Now" << endl;
}
};


// the class factories
extern "C" test_base* create() {
return new test2;
}

extern "C" void destroy(test_base* p) {
delete p;
}

////////////////////////////////main.cpp//////////////////////////////////////////////////////
#include "test_base.hpp"
#include
#include

int main(int argc , char** argv) {

// load the test library

if(argc!=2)
{
cout << "Argument Error! You must enter like this: " << '\n';
cout << "./a.out test_1.so " << '\n';
return 1;
}



void* test_index = dlopen(argv[1], RTLD_NOW);
if (!test_index) {
cerr << "Cannot load library: " << dlerror() << '\n';
return 1;
}

// reset errors
dlerror();

// load the symbols
create_t* create_test = (create_t*) dlsym(test_index, "create");
const char* dlsym_error = dlerror();
if (dlsym_error) {
cerr << "Cannot load symbol create: " << dlsym_error << '\n';
return 1;
}

destroy_t* destroy_test = (destroy_t*) dlsym(test_index, "destroy");
dlsym_error = dlerror();
if (dlsym_error) {
cerr << "Cannot load symbol destroy: " << dlsym_error << '\n';
return 1;
}

// create an instance of the class
test_base* c_test = create_test();

// use the class
c_test->display();

destroy_test(c_test);

// unload the test library
dlclose(test_index);
}

////////////////////////////////makefile//////////////////////////////////////////////////////
.SUFFIXES: .c .cpp .o
CC=g++ -g -shared -fPIC
GCC=g++ -g

all:clear test_1.so a.out test_2.so clean

OBJ1=test_1.o
OBJ2=main.o
OBJ3=test_2.o

clear:
rm -rf *.so a.out b.out

test_1.so:$(OBJ1)
$(CC) -o $@ $?
cp $@ /usr/lib

a.out:$(OBJ2)
$(GCC) -o $@ $? -ldl

test_2.so:$(OBJ3)
$(CC) -o $@ $?
cp $@ /usr/lib

.cpp.o:
$(CC) -c $*.cpp
.c.o:
$(CC) -c $*.c
clean:
rm -f *.o

执行makefile正常编译后，可生成test_1.so、test_2.so动态库以及a.out执行程序。可执行a.out，显示结果如下：
[root@localhost c++_so_src]# ./a.out test_1.so
Running in test1.so Now
[root@localhost c++_so_src]# ./a.out test_2.so
Running in test2.so Now
[root@localhost c++_so_src]# ./a.out
Argument Error! You must enter like this:
./a.out test_1.so