Linux的so文件到底是干嘛的？浅析Linux的动态链接库

上一篇我们分析了Hello World是如何编译的，即使一个非常简单的程序，也需要依赖C标准库和系统库，链接其实就是把其他第三方库和自己源代码生成的二进制目标文件融合在一起的过程。经过链接之后，那些第三方库中定义的函数就能被调用执行了。早期的一些操作系统一般使用静态链接的方式，现在基本上都在使用动态链接的方式。

静态链接和动态链接

虽然静态链接和动态链接都能生成可执行文件，但两者的代价差异很大。下面这张图可以很形象地演示了动态链接和静态链接的区别：

左侧的人就像是一个动态链接的可执行文件，右侧的海象是一个静态链接的可执行文件。比起人，海象臃肿得多，那是因为静态链接在链接的时候，就把所依赖的第三方库函数都打包到了一起，导致终的可执行文件非常大。而动态链接在链接的时候并不将那些库文件直接拿过来，而是在运行时，发现用到某些库中的某些函数时，再从这些第三方库中读取自己所需的方法。

我们把编译后但是还未链接的二进制机器码文件称为目标文件（Object File），那些第三方库是其他人编译打包好的目标文件，这些库里面包含了一些函数，我们可以直接调用而不用自己动手写一遍。在编译构建自己的可执行文件时，使用静态链接的方式，其实就是将所需的静态库与目标文件打包到一起。终的可执行文件除了有自己的程序外，还包含了这些第三方的静态库，可执行文件比较臃肿。相比而言，动态链接不将所有的第三方库都打包到终的可执行文件上，而是只记录用到了哪些动态链接库，在运行时才将那些第三方库装载（Load）进来。装载是指将磁盘上的程序和数据加载到内存上。例如下图中的Program 1，系统首先加载Program 1，发现它依赖libx.so后才去加载libx.so。

所以，静态链接就像GIF图中的海象，把所需的东西都带在了身上。动态链接只把精简后的内容带在自己身上，需要什么，运行的时候再去拿。

不同操作系统的动态链接库文件格式稍有不同，Linux称之为共享目标文件（Shared Object），文件后缀为.so，Windows的动态链接库（Dynamic Link Library）文件后缀为.dll。

地址无关

无论何种操作系统上，使用动态链接生成的目标文件中凡是涉及第三方库的函数调用都是地址无关的。假如我们自己编写的程序名为Program 1，Program 1中调用了C标准库的printf()，在生成的目标文件中，不会立即确定printf()的具体地址，而是在运行时去装载这个函数，在装载阶段确定printf()的地址。这里提到的地址指的是进程在内存上的虚拟地址。动态链接库的函数地址在编译时是不确定的，在装载时，装载器根据当前地址空间情况，动态地分配一块虚拟地址空间。

而静态链接库其实是在编译时就确定了库函数地址。比如，我们使用了printf()函数，printf()函数对应有一个目标文件printf.o，静态链接时，会把printf.o链接打包到可执行文件中。在可执行文件中，printf()函数相对于文件头的偏移量是确定的，所以说它的地址在编译链接后就是确定的。

动态链接的优缺点

相比之下，动态链接主要有以下好处：

• 多个可执行文件可以共享使用系统中的共享库。每个可执行文件都更小，占用的磁盘空间也相对比较小。而静态链接把所依赖的库打包进可执行文件，假如printf()被其他程序使用了上千次，就要被打包到上千个可执行文件中，这样会占用了大量磁盘空间。
• 共享库的之间隔离决定了共享库可以进行小版本的代码升级，重新编译并部署到操作系统上，并不影响它被可执行文件调用。静态链接库的任何函数有了改动，除了静态链接库本身需要重新编译构建，依赖这个函数的所有可执行文件都需要重新编译构建一遍。

当然，共享库也有缺点：

• 如果将一份目标文件移植到一个新的操作系统上，而新的操作系统缺少相应的共享库，程序将无法运行，必须在操作系统上安装好相应的库才行。
• 共享库必须按照一定的开发和升级规则升级，不能突然重构所有的接口，且新库文件直接覆盖老库文件，否则程序将无法运行。

ldd命令查看动态链接库依赖

在Linux上，动态链接库有默认的部署位置，很多重要的库放在了系统的/lib和/usr/lib两个路径下。一些常用的Linux命令非常依赖/lib和/usr/lib64下面的各个库，比如：scp、rm、cp、mv等Linux下常用的命令非常依赖/lib和/usr/lib64下的各个库。不小心删除了这些路径，可能导致系统的很多命令和工具都无法继续使用。

我们可以用ldd命令查看某个可执行文件依赖了哪些动态链接库。

# on Ubuntu 16.04 x86_64
$ ldd /bin/ls
  linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffcd3dd9000)
 libselinux.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libselinux.so.1 (0x00007f4547151000)
 libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f4546d87000)
 libpcre.so.3 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpcre.so.3 (0x00007f4546b17000)
 libdl.so.2 => /lib/x86_64-linux-gnu/libdl.so.2 (0x00007f4546913000)
 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f4547373000)
 libpthread.so.0 => /lib/x86_64-linux-gnu/libpthread.so.0 (0x00007f45466f6000)