第 41 章共享库基础 (Fundamentals of Shared Libraries)

核心结论

共享库 vs 静态库：静态库 (lib*.a) 把 object 直接拷贝进可执行文件；共享库 (lib*.so) 在*运行时*由动态链接器 (ld-linux.so) 加载到内存，跨进程共享代码段——节省磁盘和内存，但增加首次加载时间和少量运行开销。
三个名字命名约定：real name（libfoo.so.1.0.1）= 文件本身；soname（libfoo.so.1）= major 版本号，符号链接；linker name（libfoo.so）= 没版本号的符号链接，供 -l 选项。minor 升级改 real name、改 soname 链接指向即可——已运行的进程继续用旧版。
位置无关代码 (PIC) 与 -fPIC：共享库的 object 模块必须用 -fPIC 编译；通过 GLOBAL_OFFSET_TABLE_ 实现位置无关引用。Linux/x86-32 上 -fPIC 之外也行（但丢失跨进程共享 text 段）。
动态链接流程：静态链接时把 DT_NEEDED 嵌入可执行；运行时 ld-linux.so 按 (1) DT_RPATH → (2) LD_LIBRARY_PATH → (3) DT_RUNPATH → (4) /etc/ld.so.cache → (5) /lib:/usr/lib 顺序搜索——set-user-ID 程序忽略 LD_LIBRARY_PATH。
符号解析规则：主程序定义优先于共享库；多个共享库间按 -l 给定的左→右顺序找；用 -Wl,-Bsymbolic 让共享库内的全局符号优先绑定到该库。
现代工具链：gcc -shared -Wl,-soname,libxx.so.N -o libxx.so.M.K …；ar r libfoo.a mod.o 维护 archive；ldconfig(8) 重建 /etc/ld.so.cache + 自动维护 soname 链接；ldd 列依赖。

本章主旨

共享库是 UNIX 系统复用代码的标准机制——把库的代码段共享给所有使用它的进程，节省 RAM + 磁盘 + 支持运行时热升级（minor 升级不重链接）。本章系统地讲 (1) object library 基本概念（静态 vs 共享）；(2) 创建共享库（-fPIC + -shared + soname）；(3) ELF 动态链接器的工作（DT_NEEDED、DT_RPATH、DT_SONAME、DT_RUNPATH）；(4) 版本命名约定（real/soname/linker）；(5) ldconfig 缓存维护；(6) 运行时符号解析规则；(7) 用 $ORIGIN 让应用自带库。读者应掌握三个名字和 ldconfig 流程——这是看懂 rpm -V / ldd 输出、理解 ABI 兼容性的基础。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念展开：从 object library 起，到 ELF 动态链接、命名约定、缓存管理、运行时符号解析、$ORIGIN 自带库。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
Object library (静态 vs 共享)	静态库 (.a) 拷进二进制；共享库 (.so) 在运行时加载、跨进程共享代码——磁盘/内存省，但首次加载慢、依赖 PIC	§41.1-41.3；共享库代价 = PIC 性能开销 + 启动时链接符号解析；ELF 取代 a.out/COFF
PIC + soname 创建库	编译 `gcc -c -fPIC mod.c`；链接 `gcc -shared -Wl,-soname,libfoo.so.1 -o libfoo.so.1.0.1 mod.o`；运行时找 `libfoo.so.1` 符号链接指向 real name	§41.4；`nm -D mod.o
grep GLOBAL_OFFSET_TABLE` 验 PIC；`objdump -p libfoo.so	grep SONAME` 看 soname	ELF DT_NEEDED + ld-linux
静态链接嵌入 `DT_NEEDED` 记录依赖 soname；可执行运行时由 `/lib/ld-linux.so.2` 加载；DT_RPATH/DT_RUNPATH 提供自定义搜索路径	§41.4.3；`grep SONAME` 验 DT_SONAME；`objdump -p prog	grep NEEDED` 看 dep list；`ldd prog` 列表
三个名字 + ldconfig	real name `libfoo.so.M.K`（文件）；soname `libfoo.so.M`（符号链接到 real，embed 进 executable）；linker name `libfoo.so`（链接到 soname，给 `-l` 用）；`ldconfig` 重建 cache + 自动维护 soname 链接	§41.6, 41.7；`ldconfig -p
grep libfoo` 看 cache 内容；新装/移除/改路径都要跑 `ldconfig`	运行时符号解析	主程序符号 > 共享库；共享库间按 `-l` 左→右顺序；`-Bsymbolic` 让库内符号优先绑到本库；`RTLD_DEEPBIND` 类似
§41.12；`RTLD_DEFAULT/RTLD_NEXT` 提供 dynload 时的覆盖	$ORIGIN rpath + LD_LIBRARY_PATH	`gcc -Wl,-rpath,/dir` 把目录烧进 binary；`$ORIGIN` 表示「可执行所在目录」——可分发的「turn-key」应用；`LD_LIBRARY_PATH` 调试用、set-UID 不生效
§41.10；`objdump -p prog	grep -E 'RPATH	RUNPATH'`；`--enable-new-dtags` 切到 DT_RUNPATH（低优先级）

Object library (静态 vs 共享)

静态库 (.a) 拷进二进制；共享库 (.so) 在运行时加载、跨进程共享代码——磁盘/内存省，但首次加载慢、依赖 PIC

§41.1-41.3；共享库代价 = PIC 性能开销 + 启动时链接符号解析；ELF 取代 a.out/COFF

PIC + soname 创建库

编译 gcc -c -fPIC mod.c；链接 gcc -shared -Wl,-soname,libfoo.so.1 -o libfoo.so.1.0.1 mod.o；运行时找 libfoo.so.1 符号链接指向 real name

§41.4；`nm -D mod.o

grep GLOBAL_OFFSET_TABLE` 验 PIC；`objdump -p libfoo.so

grep SONAME` 看 soname

ELF DT_NEEDED + ld-linux

静态链接嵌入 DT_NEEDED 记录依赖 soname；可执行运行时由 /lib/ld-linux.so.2 加载；DT_RPATH/DT_RUNPATH 提供自定义搜索路径

§41.4.3；grep SONAME 验 DT_SONAME；`objdump -p prog

grep NEEDED` 看 dep list；ldd prog 列表

三个名字 + ldconfig

real name libfoo.so.M.K（文件）；soname libfoo.so.M（符号链接到 real，embed 进 executable）；linker name libfoo.so（链接到 soname，给 -l 用）；ldconfig 重建 cache + 自动维护 soname 链接

§41.6, 41.7；`ldconfig -p

grep libfoo` 看 cache 内容；新装/移除/改路径都要跑 ldconfig

运行时符号解析

主程序符号 > 共享库；共享库间按 -l 左→右顺序；-Bsymbolic 让库内符号优先绑到本库；RTLD_DEEPBIND 类似

§41.12；RTLD_DEFAULT/RTLD_NEXT 提供 dynload 时的覆盖

$ORIGIN rpath + LD_LIBRARY_PATH

gcc -Wl,-rpath,/dir 把目录烧进 binary；$ORIGIN 表示「可执行所在目录」——可分发的「turn-key」应用；LD_LIBRARY_PATH 调试用、set-UID 不生效

§41.10；`objdump -p prog

grep -E 'RPATH

RUNPATH'`；--enable-new-dtags 切到 DT_RUNPATH（低优先级）

二、详细笔记

41.1 Object Library 概述

What：可复用的 object 集合；静态 (.a) / 共享 (.so) 两类；共享是主流。

Why：可复用 = 不用每个程序重新编译；不复制 = 节省。

How：

静态库：ar r libdemo.a mod1.o mod2.o（r=replace）；ar t 看表；ar d 删。链接用 cc -o prog prog.o libdemo.a 或 -Ldir -ldemo。
共享库：后续小节。
调试信息：永远用 -g；不要用 strip（无 symbol）；x86-32 不要用 -fomit-frame-pointer。

When：写可复用代码 → 库（首选共享）；一次性代码 → 直接编译进可执行。

Example：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 41 章
$ cc -g -c mod1.c mod2.c mod3.c
$ ar r libdemo.a mod1.o mod2.o mod3.o      // 静态库
$ rm mod1.o mod2.o mod3.o
$ cc -g -o prog prog.o libdemo.a            // 链接
$ ./prog
Called mod1-x1

41.2 静态库

What：ar 创建的 archive，本质上是一堆 object 文件打包；链接时被选择性抽取。

Why：减少链接命令行；提供「按需抽取」机制。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 41 章
$ cc -g -c prog.c
$ cc -g -o prog prog.o -ldemo              // 链接共享
$ cc -g -o prog prog.o -static -ldemo     // 强制静态
$ cc -g -o prog prog.o -Wl,-Bstatic -ldemo -Wl,-Bdynamic   // 混合

When：chroot jail、单文件部署、无依赖环境；否则优先共享。

41.3 共享库总览

What：单一副本跨进程共享；disk/RAM 省；可热升级 minor 版本。

Why：现代 Linux 的事实标准。

How：

节省：磁盘（不复制）、内存（text 段共享）。
代价：PIC 开销、首次启动找库 + 符号重定位。
额外优势：bug fix 升级时不用重链接已有可执行（minor 版本升级即可）。

When：所有现代应用都默认共享库。

41.4 创建 + 使用共享库——第一步

What：编译 -fPIC、链接 -shared -Wl,-soname,…；运行时 ld-linux.so 找 DT_NEEDED 指定的 soname。

Why：理解 soname 是理解版本兼容性的基础。

How——关键流程（来自 §41.4）：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 41 章
// 1) 编译
$ gcc -g -c -fPIC -Wall mod1.c mod2.c mod3.c
// 2) 链接成共享库
$ gcc -g -shared -o libfoo.so mod1.o mod2.o mod3.o
// 3) 链接程序（运行时找 libfoo.so）
$ gcc -g -Wall -o prog prog.c libfoo.so
// 4) 运行（在共享库目录加 LD_LIBRARY_PATH=. ）
$ LD_LIBRARY_PATH=. ./prog

DT_NEEDED：链接器把 libfoo.so（或 soname）嵌进可执行的 DT_NEEDED；运行时 ld-linux.so 据此找库。

When：创建任何共享库都按此流程。

Example（带 soname 的版本）：

$ gcc -g -shared -Wl,-soname,libbar.so -o libfoo.so mod1.o mod2.o
$ ln -s libfoo.so libbar.so          # soname 必须有 symbol link
$ gcc -o prog prog.c libfoo.so
$ LD_LIBRARY_PATH=. ./prog           # 依赖 libbar.so 而非 libfoo.so

41.5 工具：nm、ldd、objdump、readelf

What：辅助分析共享库的工具集。

Why：调试「符号找不到」「库不存在」必用。

How：

ldd prog：列出 prog 的库依赖及其解析路径。
nm -D lib.so | grep func：找符号定义。
objdump -p lib.so | grep SONAME：看 soname。
readelf -d lib.so | grep -E 'NEEDED|SONAME|RUNPATH'：看动态段。
readelf -V lib.so：看版本脚本定义的 version tag。

When：调试、验证 ABI、写 build 脚本时常用。

41.6 版本与命名约定

What：libfoo 的 real name = libfoo.so.MAJOR.MINOR；soname = libfoo.so.MAJOR；linker name = libfoo.so。Major 改 = ABI 不兼容；minor 改 = 兼容升级。

Why：允许多 major 版本并存 + 已运行进程用旧版。

How——标准流程（来自 §41.6）：

# 1. 创建 real name + 嵌 soname
$ gcc -shared -Wl,-soname,libdemo.so.1 -o libdemo.so.1.0.1 mod.o mod2.o
# 2. 创建 soname 符号链接
$ ln -s libdemo.so.1.0.1 libdemo.so.1
# 3. 创建 linker name 符号链接
$ ln -s libdemo.so.1 libdemo.so
# 4. linker name 用于编译时
$ gcc -o prog prog.c -L. -ldemo

兼容 vs 不兼容变更（§41.8）：不变 public 函数签名/语义/结构 → 改 minor；删/改 public 接口 → 改 major。

When：发新版本时按 ABI 决定改 major 还是 minor。

41.7 ldconfig 与 /etc/ld.so.cache

What：ldconfig 重建 /etc/ld.so.cache（ld-linux.so 用的查找缓存）+ 自动维护 /etc/ld.so.conf 列出的目录中的 soname 符号链接。

Why：动态链接器加速查找 + 自动维护 soname 链接。

How：

# /etc/ld.so.conf 例子
/usr/local/lib
/opt/X11/lib

# 重建 cache + soname 链接
$ ldconfig -v
# 仅看 cache
$ ldconfig -p
# 不重建 cache（仅维护 soname 链接）
$ ldconfig -n .                          # 处理当前目录的 .so

When：装新库、删旧库、修改 ld.so.conf 后都要跑一次 ldconfig；容器构建时也需要。

41.8 兼容 vs 不兼容变更

What：minor 改 = 同 ABI 兼容；major 改 = ABI 破了。

Why：决定 soname 改不改；改 soname 意味着旧可执行会找不到库。

How——保留 ABI 兼容：

public 函数签名不变（参数、返回类型）。
public 函数语义不变（同样的输入给同样的输出）。
public 结构不变（增字段可能破坏，但留 padding 还好）。
不删 public 函数/变量。
加新 public 函数/变量 OK。

→ 否则改 major，新建 libfoo.so.2。

When：每次发版前评估哪些是兼容变更。

41.10 rpath + DT_RPATH/DT_RUNPATH

What：rpath 是「把库的搜索路径烧进 ELF」的机制；DT_RPATH 高优先级、DT_RUNPATH 低优先级（会让 LD_LIBRARY_PATH 优先）。

Why：自带的「turn-key」应用需要这种机制——可执行自带 .so 在子目录、不依赖系统 LD_LIBRARY_PATH。

How：

# 烧一个目录进 prog 的 DT_RPATH
$ gcc -Wl,-rpath,/opt/myapp/lib -o prog prog.c -L/opt/myapp/lib -lmylib
# 多目录
$ gcc -Wl,-rpath,/d1 -Wl,-rpath,/d2 -o prog ...
# 使用 $ORIGIN（当前可执行所在目录）
$ gcc -Wl,-rpath,'$ORIGIN'/lib -o prog ...
# 切到 DT_RUNPATH（新版 glibc）—— LD_LIBRARY_PATH 优先于它
$ gcc -Wl,--enable-new-dtags -Wl,-rpath,/d1 ...

When：发布自带的二进制分发包；不污染系统库路径。

41.11 运行时库查找顺序

What：ld-linux.so 按以下顺序找 soname：

DT_RPATH（仅当无 DT_RUNPATH 时）
LD_LIBRARY_PATH（set-UID 忽略）
DT_RUNPATH
/etc/ld.so.cache
/lib /usr/lib

Why：理解为什么 set-UID 程序不能用 LD_LIBRARY_PATH（安全）；理解为什么 DT_RPATH 比 DT_RUNPATH 优先级高。

How：调试时 LD_DEBUG=libs prog 看每条 DT_NEEDED 怎么解析。

41.12 运行时符号解析

What：符号查找顺序（来自 §41.12）：

main program 定义优先于 shared library
shared libraries 按 DT_NEEDED / -l 左→右

→ 默认共享库不保证自己的符号绑到自己；用 -Bsymbolic 让库内符号先绑到本库。

When：写「模块化」共享库（不希望被 main 符号覆盖）；用 -Bsymbolic-functions 仅函数。

41.13 静态 vs 共享链接的选择

What：默认共享；要静态用 gcc -static 或命名 .a 路径。

When：chroot、单文件部署、避免 ABI 变化时静态；否则共享。

三、关键图表

非可视化条目（库与变量一览）

项描述

libfoo.so.MAJOR.MINOR

real name，文件本身

libfoo.so.MAJOR

soname，符号链接指向 real name latest minor

libfoo.so

linker name，符号链接指向 soname，给 -lfoo 用

DT_NEEDED

ELF 段，列程序的依赖 soname

DT_SONAME

ELF 段，库自己的 soname

DT_RPATH

run-time 搜索路径（旧）；高优先级（在 LD_LIBRARY_PATH 之前）

DT_RUNPATH

run-time 搜索路径（新）；低优先级（LD_LIBRARY_PATH 之后）

GLOBAL_OFFSET_TABLE

PIC object 中的 GOT 符号

TEXTREL

仍有非 PIC 段（应避免）

ldconfig

重建 /etc/ld.so.cache + 维护 soname 符号链接

ldd

列程序共享库依赖及解析路径

ar r/d/t

archive 维护（replace/delete/table）

$ORIGIN

rpath 中的「可执行所在目录」

LD_LIBRARY_PATH

调试用，set-UID 忽略

LD_DEBUG=libs

看 ld-linux 详细搜索路径

-Bsymbolic

库内符号优先绑到本库

-enable-new-dtags

链接到 DT_RUNPATH 而非 DT_RPATH

nm -D / objdump -p / readelf -d

查看 SONAME/NEEDED 的工具

兼容性 vs 不兼容性

变更类型

是否兼容

soname 决策

修 bug（不改语义）

兼容

不变

性能优化

兼容

不变

加新 public 函数/变量

兼容

不变

增结构末尾字段（带 padding）

兼容（谨慎）

不变

删 public 函数/变量

不兼容

改 major

改函数签名（参数类型、返回类型）

不兼容

改 major

改 public 全局变量的类型/语义

不兼容

改 major

四、思维导图

mindmap
  root((第 41 章 共享库基础))
    Object library
      静态 .a
      共享 .so
      ELF 现代格式
    创建共享库
      -fPIC
      -shared
      -Wl,-soname
    三名字命名
      real libfoo.so.1.0.1
      soname libfoo.so.1
      linker libfoo.so
    DT_NEEDED 嵌入
      ld-linux.so
      ldconfig cache
      ldd 验证
    查找顺序
      DT_RPATH
      LD_LIBRARY_PATH
      DT_RUNPATH
      ld.so.cache
      lib 与 usr lib
    ABI 兼容
      签名不变
      语义不变
      结构不变
      minor 升级
    工具链
      ar 维护
      nm 查符号
      objdump DT
      readelf ELF
    rpath 与 ORIGIN
      DT_RPATH DT_RUNPATH
      $ORIGIN turn-key
      LD_LIBRARY_PATH

五、重点与易错点

共享库在运行前没加载——首次 exec 时 ld-linux.so 找库；找不到 error in loading shared libraries。
DT_RPATH vs DT_RUNPATH：DT_RPATH 高优先级（绕过 LD_LIBRARY_PATH）；DT_RUNPATH 低（LD_LIBRARY_PATH 优先）；新版 glibc 默认 DT_RPATH。
soname 必须有对应符号链接：只有 real name 时程序找不到库；ln -s realname soname 必须做。
set-UID 程序忽略 LD_LIBRARY_PATH（§41.11 规则 2）——安全考虑，防止用私有库伪造库。
PIC 不是可选优化而是强制：x86-32 不带 -fPIC 也能编译，但失去 text 段共享；其他架构会直接编译错。
ABI 兼容性规则（§41.8）：函数签名/语义/结构不变才「兼容」；加函数 OK；删/改 → 改 major。
符号解析默认主程序优先——同名符号 main 程序 > 所有共享库；这个语义有时出乎意料。
升 minor 不需要重链接：已运行的程序继续用旧 minor（加载时的副本）；只有新 exec 才用新版。
*升 major 需要重链接*或保留旧 soname 让旧二进制继续用——最好两个 real name/soname 都装（libfoo.so.1.0.2 + libfoo.so.2.0.0）。
ldconfig 必须在装完库后跑一次：否则 ld.so.cache 还是旧的，运行时找不到。
nm -D 只看动态符号（导出表）；静态库用 nm mod.o；soname 不在符号表里，是 DT_SONAME 段。
$ORIGIN 是 ld-linux.so 识别的特殊字符串——不是 shell 变量；只在 -Wl,-rpath,'$ORIGIN'/lib 这种字面写法里生效。
-Bsymbolic 性能 + 正确性双重收益：减少启动时符号重定位 + 防止「同名符号覆盖」带来的怪异行为。
静态库的.object 用 ar r 加；共享库的 object 加后会被 stripped——所以共享库不能「加.o」。
GLIBC versioning（预告 §42.3）：glibc 用 symbol versioning 让 2.0 之后所有版本并存于 libc.so.6，无需改 major。
跨章衔接：第 27 章 exec 后动态链接器启动；第 38 章 set-UID 安全（LD_LIBRARY_PATH 忽略）；第 42 章高级特性（dlopen、symbol versioning）；第 28 章 ELF 程序装载。

Asciidoc lint check

asciidoctor: 无警告。

第 41 章 共享库基础 (Fundamentals of Shared Libraries)

核心结论

一、核心概念

二、详细笔记

41.1 Object Library 概述

41.2 静态库

41.3 共享库总览

41.4 创建 + 使用共享库——第一步

41.5 工具：nm、ldd、objdump、readelf

41.6 版本与命名约定

41.7 ldconfig 与 /etc/ld.so.cache

41.8 兼容 vs 不兼容变更

41.10 rpath + DT_RPATH/DT_RUNPATH

41.11 运行时库查找顺序

41.12 运行时符号解析

41.13 静态 vs 共享链接的选择

三、关键图表

四、思维导图

五、重点与易错点

Asciidoc lint check

第 41 章共享库基础 (Fundamentals of Shared Libraries)