dlopen加载c++函数和类

Bertha 。 2022-08-01 13:36 108阅读 0赞

转自：http://www.cnblogs.com/joeblackzqq/archive/2011/03/30/2000209.html

问题所在   
　　有时你想在运行时加载一个库（并使用其中的函数），这在你为你的程序写一些插件或模块架构的时候经常发生。  
　　在C语言中，加载一个库轻而易举（调用dlopen、dlsym和dlclose就够了），但对C++来说，情况稍微复杂。动态加载一个C++库的困难一部分是因为C++的name mangling（译者注：也有人把它翻译为“名字毁坏”，我觉得还是不翻译好），另一部分是因为dlopen API是用C语言实现的，因而没有提供一个合适的方式来装载类。  
　　在解释如何装载C++库之前，最好再详细了解一下name mangling。我推荐您了解一下它，即使您对它不感兴趣。因为这有助于您理解问题是如何产生的，如何才能解决它们。

Name Mangling   
　　在每个C++程序（或库、目标文件）中，所有非静态（non-static）函数在二进制文件中都是以“符号（symbol）”形式出现的。这些符号都是唯一的字符串，从而把各个函数在程序、库、目标文件中区分开来。  
　　在C中，符号名正是函数名：strcpy函数的符号名就是“strcpy”，等等。这可能是因为两个非静态函数的名字一定各不相同的缘故。  
　　而C++允许重载（不同的函数有相同的名字但不同的参数），并且有很多C所没有的特性──比如类、成员函数、异常说明──几乎不可能直接用函数名作符号名。为了解决这个问题，C++采用了所谓的name mangling。它把函数名和一些信息（如参数数量和大小）杂糅在一起，改造成奇形怪状，只有编译器才懂的符号名。例如，被mangle后的foo可能看起来像[foo@4%6][foo_4_6]^，或者，符号名里头甚至不包括“foo”。  
　　其中一个问题是，C++标准（目前是\[ISO14882\]）并没有定义名字必须如何被mangle，所以每个编译器都按自己的方式来进行name mangling。有些编译器甚至在不同版本间更换mangling算法（尤其是g++ 2.x和3.x）。即使您搞清楚了您的编译器到底怎么进行mangling的，从而可以用dlsym调用函数了，但可能仅仅限于您手头的这个编译器而已，而无法在下一版编译器下工作。

类   
　　使用dlopen API的另一个问题是，它只支持加载函数。但在C++中，您可能要用到库中的一个类，而这需要创建该类的一个实例，这不容易做到。

解决方案

extern "C"   
　　C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数：extern "C" 。 用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名，就像C函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为extern "C"，并且不能被重载。尽管限制多多，extern "C"函数还是非常有用，因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern "C"限定符后，并不意味着函数中无法使用C++代码了，相反，它仍然是一个完全的C++函数，可以使用任何C++特性和各种类型的参数。

加载函数   
　　在C++中，函数用dlsym加载，就像C中一样。不过，该函数要用extern "C"限定符声明以防止其符号名被mangle。  
　　  
　　示例1.加载函数

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
//----------  
//main.cpp:  
//----------  
\#include <iostream>  
\#include <dlfcn.h>

int main() \{  
    using std::cout;  
    using std::cerr;

cout << "C++ dlopen demo\\n\\n";

// open the library  
    cout << "Opening hello.so...\\n";  
    void\* handle = dlopen("./hello.so", RTLD\_LAZY);  
      
    if (!handle) \{  
        cerr << "Cannot open library: " << dlerror() << '\\n';  
        return 1;  
    \}  
      
    // load the symbol  
    cout << "Loading symbol hello...\\n";  
    typedef void (\*hello\_t)();

// reset errors  
    dlerror();  
    hello\_t hello = (hello\_t) dlsym(handle, "hello");  
    const char \*dlsym\_error = dlerror();  
    if (dlsym\_error) \{  
        cerr << "Cannot load symbol 'hello': " << dlsym\_error <<  
            '\\n';  
        dlclose(handle);  
        return 1;  
    \}  
      
    // use it to do the calculation  
    cout << "Calling hello...\\n";  
    hello();  
      
    // close the library  
    cout << "Closing library...\\n";  
    dlclose(handle);  
\}

//----------  
// hello.cpp:  
//----------  
\#include <iostream>

extern "C" void hello() \{  
    std::cout << "hello" << '\\n';  
\}   
\--------------------------------------------------------------------------------

在hello.cpp中函数hello被定义为extern "C"。它在main.cpp中被dlsym调用。函数必须以extern "C"限定，否则我们无从知晓其符号名。  
　　警告：  
　　extern "C"的声明形式有两种：上面示例中使用的那种内联（inline）形式extern "C" ， 还有才用花括号的extern "C" \{ ... \}这种。 第一种内联形式声明包含两层意义：外部链接(extern linkage)和C语言链接(language linkage)，而第二种仅影响语言链接。  
　　下面两种声明形式等价：

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
extern "C" int foo;  
extern "C" void bar();   
\--------------------------------------------------------------------------------

和

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
extern "C" \{  
    extern int foo;  
    extern void bar();  
\}   
\--------------------------------------------------------------------------------

对于函数来说，extern和non-extern的函数声明没有区别，但对于变量就有不同了。如果您声明变量，请牢记：

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
extern "C" int foo;   
\--------------------------------------------------------------------------------

和

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
extern "C" \{  
    int foo;  
\}   
\--------------------------------------------------------------------------------

是不同的物事(译者注：简言之，前者是个声明; 而后者不仅是声明，也可以是定义)。  
　　进一步的解释请参考\[ISO14882\],7.5, 特别注意第7段; 或者参考\[STR2000\]，9.2.4。在用extern的变量寻幽访胜之前，请细读“其他”一节中罗列的文档。

加载类   
　　加载类有点困难，因为我们需要类的一个实例，而不仅仅是一个函数指针。我们无法通过new来创建类的实例，因为类不是在可执行文件中定义的，况且（有时候）我们连它的名字都不知道。  
　　解决方案是：利用多态性！ 我们在可执行文件中定义一个带虚成员函数的接口基类，而在模块中定义派生实现类。通常来说，接口类是抽象的（如果一个类含有虚函数，那它就是抽象的）。  
　　因为动态加载类往往用于实现插件，这意味着必须提供一个清晰定义的接口──我们将定义一个接口类和派生实现类。  
　　接下来，在模块中，我们会定义两个附加的helper函数，就是众所周知的“类工厂函数（class factory functions）（译者注：或称对象工厂函数）”。其中一个函数创建一个类实例，并返回其指针; 另一个函数则用以销毁该指针。这两个函数都以extern "C"来限定修饰。  
　　为了使用模块中的类，我们用dlsym像示例1中加载hello函数那样加载这两个函数，然后我们就可以随心所欲地创建和销毁实例了。

示例2.加载类  
　　我们用一个一般性的多边形类作为接口，而继承它的三角形类（译者注：正三角形类）作为实现。

代码:

\--------------------------------------------------------------------------------  
//----------  
//main.cpp:  
//----------  
\#include "polygon.hpp"  
\#include <iostream>  
\#include <dlfcn.h>

int main() \{  
    using std::cout;  
    using std::cerr;

// load the triangle library  
    void\* triangle = dlopen("./triangle.so", RTLD\_LAZY);  
    if (!triangle) \{  
        cerr << "Cannot load library: " << dlerror() << '\\n';  
        return 1;  
    \}

// reset errors  
    dlerror();  
      
    // load the symbols  
    create\_t\* create\_triangle = (create\_t\*) dlsym(triangle, "create");  
    const char\* dlsym\_error = dlerror();  
    if (dlsym\_error) \{  
        cerr << "Cannot load symbol create: " << dlsym\_error << '\\n';  
        return 1;  
    \}  
      
    destroy\_t\* destroy\_triangle = (destroy\_t\*) dlsym(triangle, "destroy");  
    dlsym\_error = dlerror();  
    if (dlsym\_error) \{  
        cerr << "Cannot load symbol destroy: " << dlsym\_error << '\\n';  
        return 1;  
    \}

// create an instance of the class  
    polygon\* poly = create\_triangle();

// use the class  
    poly->set\_side\_length(7);  
        cout << "The area is: " << poly->area() << '\\n';

// destroy the class  
    destroy\_triangle(poly);

// unload the triangle library  
    dlclose(triangle);  
\}

//----------  
//polygon.hpp:  
//----------  
\#ifndef POLYGON\_HPP  
\#define POLYGON\_HPP

class polygon \{  
protected:  
    double side\_length\_;

public:  
    polygon()  
        : side\_length\_(0) \{\}

virtual ~polygon() \{\}

void set\_side\_length(double side\_length) \{  
        side\_length\_ = side\_length;  
    \}

virtual double area() const = 0;  
\};

// the types of the class factories  
typedef polygon\* create\_t();  
typedef void destroy\_t(polygon\*);

\#endif

//----------  
//triangle.cpp:  
//----------  
\#include "polygon.hpp"  
\#include <cmath>

class triangle : public polygon \{  
public:  
    virtual double area() const \{  
        return side\_length\_ \* side\_length\_ \* sqrt(3) / 2;  
    \}  
\};

// the class factories  
extern "C" polygon\* create() \{  
    return new triangle;  
\}

extern "C" void destroy(polygon\* p) \{  
    delete p;  
\}   
\--------------------------------------------------------------------------------

加载类时有一些值得注意的地方：  
　　◆ 你必须（译者注：在模块或者说共享库中）同时提供一个创造函数和一个销毁函数，且不能在执行文件内部使用delete来销毁实例，只能把实例指针传递给模块的销毁函数处理。这是因为C++里头，new操作符可以被重载;这容易导致new-delete的不匹配调用，造成莫名其妙的内存泄漏和段错误。这在用不同的标准库链接模块和可执行文件时也一样。  
　　◆ 接口类的析构函数在任何情况下都必须是虚函数（virtual）。因为即使出错的可能极小，近乎杞人忧天了，但仍旧不值得去冒险，反正额外的开销微不足道。如果基类不需要析构函数，定义一个空的（但必须虚的）析构函数吧，否则你迟早要遇到问题，我向您保证。你可以在comp.lang.c++ FAQ( [http://www.parashift.com/c++-faq-lite/][http_www.parashift.com_c_-faq-lite] )的第20节了解到更多关于该问题的信息。

源代码   
　　你可以下载所有包含在本文档中的代码包： [http://www.isotton.com/howtos/C++-dl...xamples.tar.gz][http_www.isotton.com_howtos_C_-dl...xamples.tar.gz]

[foo_4_6]: mailto:foo@4%6
[http_www.parashift.com_c_-faq-lite]: http://www.parashift.com/c++-faq-lite/
[http_www.isotton.com_howtos_C_-dl...xamples.tar.gz]: http://www.isotton.com/howtos/C++-dl...xamples.tar.gz