Компоновка, статические и динамические библиотеки, ldd

Что делает компоновщик

Объектный файл main.o содержит машинный код, но с «дырами»: адрес printf или глобальной переменной a из другого файла ещё неизвестен. В объектном файле есть:

• таблица символов — какие имена файл определяет (main) и какие ему нужны извне (printf, a);
• таблица перемещений — в каких местах кода нужно подставить адреса.

Компоновщик (ld) собирает все объектные файлы, находит каждому неопределённому символу определение и подставляет адреса.

nm main.o
#                  U a          ← U: undefined, нужен извне
#                  U printf
# 0000000000000000 T main       ← T: определён в секции кода

Типичные ошибки компоновки: undefined reference to 'foo' (определения нет нигде) и multiple definition of 'a' (определение в двух файлах — вместо extern написали определение).

Статические библиотеки

Статическая библиотека libX.a — архив объектных файлов. При компоновке из неё копируются нужные функции прямо в исполняемый файл.

gcc -c mem.c util.c
ar rcs libmem.a mem.o util.o          # создать архив
gcc main.c -L. -lmem -o prog           # -lmem → ищет libmem.so или libmem.a
gcc -static main.c -o prog_static      # полностью статическая программа

Динамические (разделяемые) библиотеки

Разделяемая библиотека libX.so подключается при запуске программы. В исполняемом файле остаётся только запись «нужна libX.so.N».

gcc -fPIC -shared mem.c -o libmem.so   # позиционно-независимый код
gcc main.c -L. -lmem -o prog

Динамический загрузчик

Кто подключает .so при запуске? Не ядро, а программа пространства пользователя — динамический загрузчик ld-linux.so (/lib64/ld-linux-x86-64.so.2):

1. execve загружает ELF-файл программы. В его заголовке указан «интерпретатор» — путь к загрузчику.
2. Ядро отображает в память программу и загрузчик, запускает загрузчик.
3. Загрузчик читает список нужных библиотек (DT_NEEDED), ищет их, отображает через mmap.
4. Выполняет перемещения (заполняет таблицу GOT адресами функций, часто лениво — при первом вызове через PLT).
5. Передаёт управление в _start программы → main.

Где загрузчик ищет библиотеки:

1. DT_RPATH/DT_RUNPATH, записанные в программу;
2. переменная окружения LD_LIBRARY_PATH;
3. кеш /etc/ld.so.cache, который строит ldconfig по каталогам из /etc/ld.so.conf;
4. стандартные каталоги /lib, /usr/lib.

ldd

$ ldd /bin/ls
    linux-vdso.so.1 (0x00007ffc...)
    libselinux.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libselinux.so.1 (0x...)
    libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x...)
    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x...)

ldd показывает, какие разделяемые библиотеки нужны программе и где загрузчик их найдёт. Если библиотека не найдена — not found.

ldconfig и пакеты

После установки новой библиотеки в /usr/lib нужно обновить кеш: ldconfig. Именно поэтому пакеты с библиотеками в скриптах postinst вызывают ldconfig (сейчас это часто делают триггеры пакетного менеджера) — вспомним в уроке про пакеты.

Итог

• Компоновщик разрешает символы и выполняет перемещения; nm показывает символы.
• .a копируется в программу при компоновке; .so подключается при запуске и разделяется между процессами.
• Подключает .so динамический загрузчик ld-linux.so, а не ядро; порядок поиска: RPATH, LD_LIBRARY_PATH, кеш ldconfig, стандартные каталоги.
• ldd — список зависимостей программы; инструмент системы программирования.