Linux下实现C++类的动态链接

1. 背景

在java中，jvm支持类的动态链接（Class.forName(String className)），用起来也很方便。动态链接是实现IOC（Inversion of Control，控制反转，更形象的称作依赖注入）的关键，用于将类间依赖从程序移到配置文件中。在框架不重新编译的情况下，替换被依赖的类。
在linux下，C++只能通过C的dl API实现动态链接，需要先将动态链接库编译成.so，然后再调用API进行链接。下面看一下如何实现动态链接C++类。和java实现IOC一样，链接类需要依赖于接口，先定义一下框架需要依赖的接口部分：

class UserInterface {
public:
    virtual bool func() = 0;
};

动态链接库实现部分继承这个接口，进行实现。

class ConcretInterface: public UserInterface {
public:
    virtual bool func() {
        printf("A implementition of UserInterface");
    }
};

2. dl API

先介绍dl API部分，这些函数需要连接dl动态库，-ldl：

void *dlopen(const char *filename, int flag);

用于打开.so，并进行链接，返回链接后的handle。flag表示链接标志：
RTLD_LAZY：延迟加载，在.so中第一次使用某个符号是再进行链接。只对函数符号有效，变量符号会被立即加载。
RTLD_NOW：在dlopen返回后，所有未定义的符号都需要进行链接，如果符号解析失败，dlopen会返回失败。
RTLD_GLOBAL：使用这个标志，则这个库中的符号可以被随后的动态库使用。
RTLD_LOCAL：与RTLD_GLOBAL相反，不可以以被随后动态库使用。

char *dlerror(void);

返回dl相关错误，如果从初始化或者上一次调用到目前为止没有错误则返回NULL。

void *dlsym(void *handle, const char *symbol);

返回符号名为symbol的符号的地址，需要用到dlopen返回的动态链接库的handle。需要使用dlerror来检验dlsym是否出错，不能进通过返回的指针是否为NULL判断是否出错，因为符号地址为NULL属于正常情况。

int dlclose(void *handle);

减少.so的引用计数，如果引用计数为0，则.so会被卸载。

3. 类加载实现

通过上面dl API可知，只能返回动态链接库中的符号的地址，这个符号函数符号或者是变量符号，不能像java一样直接返回一个类。而我们在动态链接类时，实际上只是需要这个类的实例对象，所以可以通过返回创建类对象的函数符号实现类的连接。由于在C++中，可以对new操作符重载，进行其他的一些操作，分配资源等，此时调用delete释放对象，会造成资源泄露。所以为了支持重载new操作符，还需要释放对象的函数。定义如下：

typedef bool (*user_interface_creator_t)(UserInterface **ui);
typedef void (*user_interface_destroyer_t)(UserInterface *ui);

上面定义了两个函数指针，分别是链接类的创建器和销毁器。动态链接库需要实现这两个函数，从而是框架可以创建和销毁对象。如果默认不支持new操作重载，可以去掉destroyer，简化接口。
还有一点比较重要，由于C++支持了命名空间、类以及重载等机制，所以符号的命名规则和C不同。而dl API属于C的部分，使用的C的命名规则，所以在实现上述两个函数时（也就是说需要通过动态链接的C++函数）需要使用C的符号命名规则。这需要实现extern 'C'实现，具体如下：

extern 'C' {

bool my_creator(UserInterface **ui)
{
    if (NULL == ui) {
        printf("invalid param");
        return false;
    }

    *ui = new (std::nothrow) ConcrectInterface;
    return true;
}

void my_destroyer(UserInterface *ui)
{
    if (ui != NULL) {
        delete ui;
    }
}

};

my_creator和my_destroyer就是动态链接库对接口的实现，可以通过函数名调用dlsym找到对应的地址，完成对象的创建和销毁。下面，介绍一下框架，也就是动态链接的部分。

#include <dlfcn.h>
#include <stdio.h>

#include "user_interface.hpp"

const char *so_path = "./user_impl.so";
const char *creat_func = "my_creator";
const char *destroy_func = "my_destroyer";

int main ()
{
    // load .so
    void *handle = dlopen(so_path, RTLD_LAZY);
    if (NULL == handle) {
        printf("failed to open %s, error: %s", so_path,
                dlerror());
        return 1;
    }   

    // reset errors
    dlerror();

    user_interface_creator_t creator = 
        (user_interface_creator_t)dlsym(handle, creat_func);
    const char* err = dlerror();
    if (err != NULL) {
        printf("failed to load creator, error: %s", err);
        return 1;
    }   

    // reset errors
    dlerror();

    user_interface_destroyer_t destroyer = 
        (user_interface_destroyer_t)dlsym(handle, destroy_func);
    err = dlerror();
    if (err != NULL) {
        printf("failed to load destroyer, error: %s", err);
        return 1;
    }   

    UserInterface *ui;
    if (!(*creator)(&ui)) {
        printf("failed to creat ui");
        return 1;
    }   
    ui->func();

    (*destroyer)(ui);

    dlclose(handle);
}

这里需要注意每次调用dl API函数后需要调用dlerror清除error状态。

4. 坑

如果动态链接库和可执行程序依赖同一个库，比如依赖同一个日志库，在编译动态链接库和可执行程序时需要注意一下。要确保对于库的符号引用的解析会指向同一个符号。具体做法：
（1）编译.so时，不链接依赖的库，对于库的符号的引用都是undefined。
（2）可执行程序需要链接依赖的库，并且要指定链接选项-rdynamic，将全局符号可以用于动态链接库的符号引用的解析。
如果没有做到以上两点，会出现同一个符号引用会被解析到两个符号，若符号依赖的是一个变量的符号（比如符号本身就是一个变量，或者是函数符号，但依赖于某个变量），那么就会出现个别古怪、异常的现象。
对于.so依赖一个库，但是可执行程序没有依赖，那么编译.so时必须把这个库链接，否则会出现undefined symbol。
再介绍下调试动态链接库时用到的工具，因为经常会出现各种未定义的符号，所以需要查看.so或者可执行程序的符号信息，可以使用nm，比如，类型U或者类型T的符号。还可以使用c++filt将符号名解析成可读的字符串。