在 C++ 中，加载动态库通常有两种方式：显式加载和隐式加载。 隐式加载比较简单，只需要设置链接选项即可自动进行，本文主要学习一下显式加载。

概述

在 C++ 中，显式加载和隐式加载动态库的基本介绍如下：

  • 隐式加载是最常用的方式，通常的C++标准库等系统中的库都是采用隐式加载的，程序在编译时需要添加-l选项链接到动态库。在程序启用时，系统会自动查找并加载对应的动态库。 隐式加载的优势是代码简单，不需要在代码中处理加载动态库的各种细节。但缺点是要求在编译时动态库也要参与链接，在编译时和运行时都需要保证动态库是可以找到并且使用的，编译时无法找到则编译失败，运行时无法找到和使用则程序无法启动。

  • 显式加载则是一种更灵活的方式，我们可以在代码中精准地控制加载和卸载动态库的所有细节。 优势是程序在编译链接时完全不需要动态库的参与，程序在运行时可以根据需要有选择性地进行加载或卸载动态库，即使在运行时对某个动态库的加载失败也不会导致程序中止。

基于显式加载我们可以实现动态库的热更新：在使用动态库的程序保持运行的情况下，更新对应的动态库。 这对于一些大型的商业服务是非常普遍的需求，他们不希望因为某些小的依赖库的更新而导致整个服务暂停重启。

显式加载是系统级的需求，不同的系统提供的具体接口是不一样的，通常包括以下步骤：

  • 加载动态库：使用平台特定的 API 加载动态库。在 POSIX 系统上通常使用 dlopen，而在 Windows 上通常使用 LoadLibrary。
  • 获取函数指针：使用平台特定的 API 从动态库中获取函数指针。在 POSIX 系统上通常使用 dlsym，而在 Windows 上通常使用 GetProcAddress。
  • 调用函数：通过函数指针调用动态库中的函数。
  • 卸载动态库：当不再需要动态库时，可以显式地将其卸载。在 POSIX 系统上通常使用 dlclose，而在 Windows 上通常使用 FreeLibrary。

必须注意的是，如果需要使用显式加载，那么动态库提供的接口必须要使用extern "C"，即必须提供符合C标准的接口，否则系统的dlopen找不到对应的符号。

下面分别从Linux系统和Windows系统实现简单的显式加载示例。

Linux上的显式加载

动态库如下

hello.cpp
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#include <iostream>

extern "C" void hello(const char *msg) {
    std::cout << "hello " << msg << std::endl;
}

这里因为非常简单，并没有提供头文件，实际上在显式加载时，使用者也不需要使用动态库对应的头文件。

主程序代码如下

main.cpp
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#include <dlfcn.h>
#include <iostream>

using HelloFunction = void (*)(const char *);

int main() {
    // 加载动态库
    void *handle = dlopen("./libhello.so", RTLD_LAZY);

    if (handle == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to load dynamic library" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 获取函数指针
    auto hello = (HelloFunction)dlsym(handle, "hello");

    // 加载失败，自动关闭
    if (hello == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to find function in dynamic library" << std::endl;
        dlclose(handle);
        return 1;
    }

    // 调用函数
    hello("demo");

    // 关闭动态库
    dlclose(handle);

    return 0;
}

这里使用dlopen加载动态库时，需要提供动态库的文件名（含路径），并且需要传递策略参数，有两种常见的选择：

  • RTLD_LAZY：表示“懒加载”策略，只加载动态库的基本部分，不立即解析所有外部符号（即函数和变量）。外部符号的解析会在首次使用时（如第一次调用某个函数时）进行。懒加载策略可以减少加载动态库所需的时间，因为符号的解析是按需进行的。
  • RTLD_NOW：表示立即解析所有外部符号。这可能会增加动态库的加载时间，但可以确保在加载库时立即发现可能出现的链接问题（例如未定义的符号）。

编译的过程如下： 

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g++ -fPIC -shared hello.cpp -o libhello.so
g++ main.cpp -o test

注意确保动态库的名称和位置正确，因为它已经写死在使用者的代码中，否则会加载失败。

Windows上的显式加载

动态库如下（Windows需要加入符号导出的标记）

hello.cpp
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#include <iostream>

extern "C" __declspec(dllexport) void hello(const char *msg) {
    std::cout << "hello " << msg << std::endl;
}

主程序代码如下（将Linux的API换成Windows的即可）

main.cpp
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#include <iostream>
#include <windows.h>

using HelloFunction = void (*)(const char *);

int main() {
    // 加载动态库
    HMODULE handle = LoadLibrary("hello.dll");

    if (handle == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to load dynamic library" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 获取函数指针
    auto hello = (HelloFunction)GetProcAddress(handle, "hello");

    // 加载失败，自动关闭
    if (hello == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to find function in dynamic library" << std::endl;
        FreeLibrary(handle);
        return 1;
    }

    // 调用函数
    hello("demo");

    // 关闭动态库
    FreeLibrary(handle);

    return 0;
}

编译的过程如下： 

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clang++ -shared hello.cpp -o hello.dll
clang++ main.cpp -o test.exe

注意确保动态库的名称和位置正确，因为它已经写死在使用者的代码中，否则会加载失败。

注意：

  • 在生成动态库时同时生成了三个文件：hello.dll，hello.exp和hello.lib，如果没有自动生成这三个文件，可能是忘记在源码中导出符号。
  • clang++采用的后端还是MSVC，不是Mingw-w64，-fPIC对Windows是无效选项。

显式加载的跨平台封装

我们可以通过简单的封装，对Linux和Windows提供统一的调用接口。

dll.h
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#ifndef DLL_H
#define DLL_H

#ifdef _WIN32
#include <windows.h>
#else
#include <dlfcn.h>

#endif

namespace dll {
#ifdef _WIN32
using DynamicLibHandle = HMODULE;
using DynamicLibFunction = FARPROC;
#else
using DynamicLibHandle = void *;
using DynamicLibFunction = void *;
#endif

inline DynamicLibHandle load(const char *libPath) {
#ifdef _WIN32
    return LoadLibrary(libPath);
#else
    return dlopen(libPath, RTLD_LAZY);
#endif
}

inline void unload(DynamicLibHandle handle) {
#ifdef _WIN32
    FreeLibrary(handle);
#else
    dlclose(handle);
#endif
}

inline DynamicLibFunction get(DynamicLibHandle handle,
                              const char *functionName) {
#ifdef _WIN32
    return GetProcAddress(handle, functionName);
#else
    return dlsym(handle, functionName);
#endif
}
}  // namespace dll

#endif  // DLL_H

基于这个头文件，可以让我们用统一的代码在Linux平台和Windows平台上正常进行动态库的显式加载，只是编译命令和得到的动态库名称仍然不同，编译命令与前面的保持不变。

动态库实现代码

hello.cpp
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#include <iostream>

#ifdef _WIN32
#define MY_EXPORT __declspec(dllexport)
#else
#define MY_EXPORT
#endif

extern "C" {
MY_EXPORT void hello(const char *msg) {
    std::cout << "hello " << msg << std::endl;
}
}

主程序代码如下

main.cpp
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#include "dll.h"
#include <iostream>

using HelloFunction = void (*)(const char *);

int main() {
#ifdef _WIN32
    // 加载动态库
    auto *handle = dll::load("./hello.dll");
#else
    // 加载动态库
    auto *handle = dll::load("./libhello.so");
#endif

    if (handle == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to load dynamic library" << std::endl;
        return 1;
    }

    // 获取函数指针
    auto hello = (HelloFunction)dll::get(handle, "hello");

    // 加载失败，自动关闭
    if (hello == nullptr) {
        std::cerr << "Failed to find function in dynamic library" << std::endl;
        dll::unload(handle);
        return 1;
    }

    // 调用函数
    hello("demo");

    // 关闭动态库
    dll::unload(handle);

    return 0;
}

进一步的封装可以针对具体的动态库而言，参考Github仓库中的replex.h，它不是针对跨平台进行的封装，而是为了进一步隐藏动态库的细节。

动态库热更新

继续前面的例子，我们将动态库的使用方式改为：

  • 每隔一小段时间（1秒）调用一次函数
  • 每隔一大段时间（10秒）重新加载一次动态库

代码如下

main.cpp
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#include "dll.h"
#include <chrono>  // 使用时间间隔
#include <iostream>
#include <thread>  // 使用线程休眠

using HelloFunction = void (*)(const char *);

int main() {
    const char *libPath = nullptr;

// 根据操作系统设置动态库路径
#ifdef _WIN32
    libPath = "./hello.dll";
#else
    libPath = "./libhello.so";
#endif

    // 定义时间间隔
    const std::chrono::seconds callInterval(1);  // 每 1 秒调用一次 hello
    const std::chrono::seconds reloadInterval(10);  // 每 10 秒重新加载动态库

    // 初始化变量
    dll::DynamicLibHandle handle = nullptr;
    HelloFunction hello = nullptr;

    // 记录上次重新加载的时间
    auto lastReloadTime = std::chrono::steady_clock::now() - reloadInterval;

    while (true) {
        // 检查是否需要重新加载动态库
        auto now = std::chrono::steady_clock::now();
        if (now - lastReloadTime >= reloadInterval) {
            // 如果动态库已经加载过，先卸载
            if (handle != nullptr) { dll::unload(handle); }

            // 重新加载动态库
            handle = dll::load(libPath);
            if (handle == nullptr) {
                std::cerr << "Failed to reload dynamic library" << std::endl;
                return 1;
            }

            // 获取新的函数指针
            hello = (HelloFunction)dll::get(handle, "hello");
            if (hello == nullptr) {
                std::cerr << "Failed to find function in new dynamic library"
                          << std::endl;
                dll::unload(handle);
                return 1;
            }

            // 更新上次重新加载的时间
            lastReloadTime = now;
        }

        // 调用 hello 函数
        if (hello != nullptr) { hello("demo"); }

        // 等待下一个调用时间
        std::this_thread::sleep_for(callInterval);
    }

    // 程序结束前释放动态库
    if (handle != nullptr) { dll::unload(handle); }

    return 0;
}

为了简便我们只在Linux系统上实验，提供两个版本的动态库：

  • hello1.cpp，输出hello + <msg>，编译为libhello.so.1；
  • hello2.cpp，输出hi + <msg>，编译为libhello.so.2。

它们是libhello.so的不同版本，程序实际会加载的是libhello.so，我们通过软链接进行不同版本的切换 

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ln -sf libhello.so.1 libhello.so
% or
ln -sf libhello.so.2 libhello.so

动态库的源码如下 

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// version 1
// hello1.cpp
#include <iostream>

#ifdef _WIN32
#define MY_EXPORT __declspec(dllexport)
#else
#define MY_EXPORT
#endif

extern "C" {
MY_EXPORT void hello(const char *msg) {
    std::cout << "hello " << msg << std::endl;
}
}

// version 2
// hello2.cpp
#include <iostream>

#ifdef _WIN32
#define MY_EXPORT __declspec(dllexport)
#else
#define MY_EXPORT
#endif

extern "C" {
MY_EXPORT void hello(const char *msg) {
    std::cout << "hi " << msg << std::endl;
}
}

我们需要开启多个窗口来进行实验：

  • 第一个窗口，启动主程序并输出到日志文件中：./a.out > a.log
  • 第二个窗口，观察日志文件：tail -f a.log，可以看到程序在不断输出，日志在不断增长
  • 第三个窗口，负责切换libhello.so指向的版本

实验可以观察到，切换版本后日志中的输出内容会发生变化（整十秒的时候发生了动态库的重新加载），而程序始终保持正常运行，因此我们成功实现了动态库的热更新。

输出内容如下 

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