运行期加载时共享库路径搜索优先级实验

前言

《共享库链接和加载时的路径搜索优先级》中提到，共享库在运行期加载时的路径搜索优先级为：
RPATH>LD_LIBRARY_PATH>RUNPATH>/etc/ld.so.conf和/etc/ld.so.conf.d/*>默认库路径

本实验分两步验证上述结论
①单独测试每种方法指定的路径的可行性
②查看链接器输出的详细信息，验证上述优先级顺序

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
├── main.cpp
├── run_cmp_all.sh
├── run_default.sh
├── run_ld_library_path.sh
├── run_ld_so_cache.sh
├── run_none.sh
├── run_rpath.sh
├── run_runpath.sh
└── 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为共享库源码，它将被编译为libhello.so.1.1.0（soname为libhello.so.1）
mian.cpp为主函数，其中调用了hello函数
run_cmp_all.sh为对比测试上述路径优先级的脚本
run_default.sh为单独测试默认路径可行性的脚本
run_ld_library_path.sh为单独测试LD_LIBRARY_PATH可行性的脚本
run_ld_so_cache.sh为单独测试ld.so.cache可行性的脚本
run_none.sh为不配置任何路径的脚本，用于演示搜索不到动态库文件，程序无法运行的情况
run_rpath.sh为单独测试RPATH可行性的脚本
run_runpath.sh为单独测试RUNPATH可行性的脚本
makefile为自动化构建脚本

本文主要讨论运行期的加载过程，因此不对编译期的过程做过多解释，内容详见makefile文件

在附录中，我将提供本次实验涉及到的代码。

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.1文件，查看程序是否可以运行成功。

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_none.sh

输出：

./hello: error while loading shared libraries: libhello.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory

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.1文件，动态链接器就找不到相应的共享库文件，就会导致加载失败，程序无法运行。

默认路径

①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.1）指向它
②运行可执行文件。

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_default.sh

输出：

Hello from the 1.1.0 library!

没有报错。

ld.so.cache

①创建路径/opt/hellolib_runtime
②将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib_runtime，并在/opt/hellolib_runtime下创建一个软链接（libhello.so.1）指向它
③向/etc/ld.so.conf.d中新增一个配置文件libhello.conf，并向其中写入动态库文件所在的路径/opt/hellolib_runtime
④使用ldconfig命令更新ld.so.cache
⑤运行可执行文件

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_ld_so_cache.sh

输出：

Hello from the 1.1.0 library!

没有报错。

RUNPATH

①在编译期添加-Wl,--enable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RUNPATH
②将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib_runtime，并在/opt/hellolib_runtime下创建一个软链接（libhello.so.1）指向它
③运行可执行文件

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_runpath.sh

输出：

Hello from the 1.1.0 library!

没有报错。

LD_LIBRARY_PATH

①创建路径/opt/hellolib_runtime
②将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib_runtime，并在/opt/hellolib_runtime下创建一个软链接（libhello.so.1）指向它
③向环境变量LD_LIBRARY_PATH中添加/opt/hellolib_runtime
④运行可执行文件

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_ld_library_path.sh

输出：

Hello from the 1.1.0 library!

没有报错。

RPATH

①在编译期添加-Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RPATH
②将libhello.so.1.1.0拷贝至/opt/hellolib_runtime，并在/opt/hellolib_runtime下创建一个软链接（libhello.so.1）指向它
③运行可执行文件

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_rpath.sh

输出：

Hello from the 1.1.0 library!

没有报错。

优先级测试

在此模块我们要测试共享库在运行期加载时的路径搜索优先级（没有测RUNPATH，有兴趣的朋友可以自行测试一下），关键步骤如下：
①创建路径/opt/hellolib_runtime,/opt/hellolib_runtime1,/opt/hellolib_runtime2
②在编译期添加-Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime指定RPATH
③向环境变量LD_LIBRARY_PATH中添加/opt/hellolib_runtime1
④向/etc/ld.so.conf.d中新增一个配置文件libhello.conf，向其中写入路径/opt/hellolib_runtime2，并使用ldconfig命令更新ld.so.cache
⑤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.1）指向它
⑥运行可执行文件

直接运行脚本即可完成上述操作：

sh ./run_cmp_all.sh

在脚本中，我设置了环境变量LD_DEBUG=libs，启用了动态链接器的调试输出（针对库的加载过程），因此终端输出了以下信息（仅截取关键部分）：

 	460445:     find library=libhello.so.1 [0]; searching
    460445:      search path=/opt/hellolib_runtime/tls/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime/tls/haswell:/opt/hellolib_runtime/tls/x86_64:/opt/hellolib_runtime/tls:/opt/hellolib_runtime/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime/haswell:/opt/hellolib_runtime/x86_64:/opt/hellolib_runtime            (RPATH from file ./hello_rpath)
...
    460445:       trying file=/opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
    460445:      search path=/opt/hellolib_runtime1/tls/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/tls/haswell:/opt/hellolib_runtime1/tls/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/tls:/opt/hellolib_runtime1/haswell/x86_64:/opt/hellolib_runtime1/haswell:/opt/hellolib_runtime1/x86_64:/opt/hellolib_runtime1:tls/haswell/x86_64:tls/haswell:tls/x86_64:tls:haswell/x86_64:haswell:x86_64:               (LD_LIBRARY_PATH)
...
    460445:       trying file=/opt/hellolib_runtime1/libhello.so.1
...
    460445:      search cache=/etc/ld.so.cache
    460445:      search path=/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell:/lib/x86_64-linux-gnu/tls/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/tls:/lib/x86_64-linux-gnu/haswell/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu/haswell:/lib/x86_64-linux-gnu/x86_64:/lib/x86_64-linux-gnu:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/haswell:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/tls:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/haswell/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/haswell:/usr/lib/x86_64-linux-gnu/x86_64:/usr/lib/x86_64-linux-gnu:/lib/tls/haswell/x86_64:/lib/tls/haswell:/lib/tls/x86_64:/lib/tls:/lib/haswell/x86_64:/lib/haswell:/lib/x86_64:/lib:/usr/lib/tls/haswell/x86_64:/usr/lib/tls/haswell:/usr/lib/tls/x86_64:/usr/lib/tls:/usr/lib/haswell/x86_64:/usr/lib/haswell:/usr/lib/x86_64:/usr/lib            (system search path)
...
    460445:       trying file=/lib/libhello.so.1

可以看出动态链接器依次搜索了：RPATH指定的路径，LD_LIBRARY_PATH记录的路径，ld.so.cache中记录的路径，默认路径。

因此验证了上述的路径搜索优先级的顺序。

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;
}

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 obj/main.o
 
lib/libhello.so.1.1.0: libhello.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) -o $@ $^ $(LDFLAGS) -Wl,-soname,libhello.so.1
 
obj/main.o: main.cpp
	$(CXX) -c -o $@ $^
 
# 仅使用-L
hello: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -L/opt/hellolib_compile -lhello

hello_rpath: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	mkdir -p /opt/hellolib_runtime
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
	ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -Wl,--disable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime -L/opt/hellolib_compile -lhello

hello_runpath: obj/main.o
	mkdir -p /opt/hellolib_compile
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile
	ln -sf /opt/hellolib_compile/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_compile/libhello.so
	mkdir -p /opt/hellolib_runtime
	cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
	ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1
	$(CXX) $(DEBUG_OPTS) -o $@ $^ -Wl,--enable-new-dtags,-rpath,/opt/hellolib_runtime -L/opt/hellolib_compile -lhello
 
clean:
	rm -f ./lib/* ./obj/* ./hello*
	rm -f /usr/lib/libhello*
	rm -rf /opt/hellolib_compile*
	rm -rf /opt/hellolib_runtime*

.PHONY: clean hello hello_rpath hello_runpath

脚本

run_none

#!/bin/bash

make
make hello

LD_DEBUG=libs ./hello

make clean

run_default

#!/bin/bash

make
make hello

cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so.1

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -f /usr/lib/libhello.so*
make clean

run_ld_so_cache

#!/bin/bash

make
make hello

mkdir -p /opt/hellolib_runtime
cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1

echo "/opt/hellolib_runtime" > /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -rf /opt/hellolib_runtime*
rm -f /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig
make clean

run_runpath

#!/bin/bash

make
make hello_runpath

LD_DEBUG=libs ./hello_runpath

make clean

run_ld_library_path

#!/bin/bash

make
make hello

mkdir -p /opt/hellolib_runtime
cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime
ln -sf /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1.1.0 /opt/hellolib_runtime/libhello.so.1

export LD_LIBRARY_PATH=/opt/hellolib_runtime:$LD_LIBRARY_PATH

LD_DEBUG=libs ./hello

rm -rf /opt/hellolib_runtime*
make clean

run_rpath

#!/bin/bash

make
make hello_rpath

LD_DEBUG=libs ./hello_rpath

make clean

run_cmp_all

#!/bin/bash

make
make hello_rpath
rm -rf /opt/hellolib_runtime/*

mkdir -p /opt/hellolib_runtime1
export LD_LIBRARY_PATH=/opt/hellolib_runtime1:$LD_LIBRARY_PATH

mkdir -p /opt/hellolib_runtime2
echo "/opt/hellolib_runtime2" > /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig

cp ./lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib
ln -sf /usr/lib/libhello.so.1.1.0 /usr/lib/libhello.so.1

LD_DEBUG=libs ./hello_rpath

rm -f /usr/lib/libhello.so*
rm -f /etc/ld.so.conf.d/libhello.conf
ldconfig
rm -rf /opt/hellolib_runtime*
make clean

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运行期加载时共享库路径搜索优先级实验

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目录说明

单独测试

不配置路径

默认路径

ld.so.cache

RUNPATH

LD_LIBRARY_PATH

RPATH

优先级测试

附录

库文件源码

主程序源码

makefile

脚本

run_none

run_default

run_ld_so_cache

run_runpath

run_ld_library_path

run_rpath

run_cmp_all

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