dlopen加载c++ 函数及类

超、凢脫俗 2022-09-25 07:27 135阅读 0赞

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dlopenAPI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namemangling。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^，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namemangling。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:

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`//---------- //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'; }`

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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(languagelinkage)，而第二种仅影响语言链接。  
　　下面两种声明形式等价：

代码:

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`extern "C" int foo; extern "C" void bar();`

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和

代码:

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

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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:

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`extern "C" int foo;`

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和

代码:

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`extern "C" {     int foo; }`

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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 factoryfunctions）（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:

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`//---------- //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; }`

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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]

[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++-dlopen-mini-HOWTO/examples.tar.gz