C++(Qt)软件调试---Linux动态库链接异常排查（38）

C++(Qt)软件调试—Linux动态库链接异常排查（38）

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1 概述🐜

本文主要讲解Linux系统中C++程序隐式链接动态库出现动态库找不到的异常分析、排查方法。

排查思路概述：

• 出现异常；
• 检查依赖关系ldd、lddtree
• 分析搜索路径
• 编译时指定搜索路径或者使用patchelf 修改搜索路径。

环境	说明
系统	ubuntu20.04

以下是关于Linux动态链接相关命令和配置的详细说明：

命令/配置	说明
ldd	用于打印程序或共享库所依赖的共享库列表。它通过设置特殊的环境变量并运行程序来确定依赖关系，是检查可执行文件依赖关系的常用工具
lddtree	以树状结构显示程序或共享库的依赖关系，比 ldd 提供更清晰的依赖层次视图，有助于理解复杂的依赖关系链
LD_DEBUG	环境变量，用于启用动态链接器的调试输出。可设置不同选项如 libs、bindings、symbols 等来获取详细的动态链接过程信息
LD_LIBRARY_PATH	环境变量，指定动态链接器在搜索共享库时的额外搜索路径。优先级高于系统默认路径，常用于临时覆盖库搜索路径
LD_PRELOAD	环境变量，允许预加载指定的共享库，优先于程序正常加载的库。常用于库函数拦截、性能分析或功能增强
/etc/ld.so.conf	系统级配置文件，定义了系统范围内共享库的搜索路径。通常包含多个include指令指向 /etc/ld.so.conf.d/ 目录下的配置文件
ldconfig	系统命令，用于更新共享库缓存。它会扫描 /etc/ld.so.conf 中定义的目录，创建或更新 /etc/ld.so.cache 文件以加速库搜索
readelf	ELF文件分析工具，用于显示ELF格式文件的详细信息，包括节头、程序头、符号表、重定位信息等，是分析可执行文件结构的重要工具
objdump	通用目标文件分析工具，可用于反汇编、显示目标文件信息、重定位信息等。支持多种目标文件格式，是二进制分析的核心工具
patchelf	专门用于修改ELF可执行文件和共享库的工具。可以更改解释器路径、修改RPATH/RUNPATH、添加或删除所需的库等

2 加载动态库方法

C++加载动态库（DLL）主要有两种方式：

隐式链接

• 在编译时通过 -l 参数链接动态库
• 程序启动时自动加载所需的共享库
• 符号解析在编译时完成
• 使用简单，直接调用库中的函数和变量
• 优点：
  • 使用简单直观
  • 性能较好，无需手动管理库的加载
  • 编译时就能发现符号错误
• 缺点：
  • 程序依赖的库必须在运行时存在
  • 程序启动时必须加载所有依赖库
  • 灵活性较差

显式链接

• 通过 dlopen 系列函数在程序运行时手动加载动态库
• 优点：
  • 灵活性高，可以按需加载库
  • 支持插件化架构
  • 可以在运行时决定加载哪个库
  • 库不存在不会影响程序启动
• 缺点：
  • 使用复杂，需要手动管理库的加载和卸载
  • 容易出现内存泄漏或悬空指针
  • 运行时错误处理复杂
  • 符号解析延迟到运行时

3 程序链接动态库常见异常现象和后果

1. 动态库缺失

   • 动态库不存在或者查找动态库路径不对；

   ./untitled: error while loading shared libraries: libtest2.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory
   

   • 现象：程序无法启动
   • 后果：进程直接终止，返回非零退出码

2. 符号未定义错误

   • 动态库存在，链接动态库成功，但是动态库中函数符号定义不同

   ./untitled: symbol lookup error: ./untitled: undefined symbol: _ZN5Test23addEii
   

   • 现象：程序加载时报错，指出缺少特定符号
   • 后果：程序无法正常执行，即使能启动也会在调用相关函数时崩溃

3. 版本不兼容

   • 编译环境与运行环境不一致

   version `GLIBC_2.XX' not found
   

   • 现象：动态库存在但版本不符合要求
   • 后果：程序可能在运行过程中出现不可预知的行为或崩溃

4 查看依赖库的加载情况

• 当Linux下出现动态库缺失时，一般异常信息如下所示；

  error while loading shared libraries: libtest2.so.1: cannot open shared object file: No such file or directory
  

• 可使用ldd命令或者lddtree命令进行查看依赖库的加载情况；

ldd命令

ldd 是一个用于显示 ELF 可执行文件或共享库依赖关系的命令行工具。

主要功能

• 显示程序或库文件所依赖的共享库列表
• 显示每个依赖库的路径和加载地址
• 检查动态链接库的可用性

lddtree 命令

lddtree 是 ldd 的增强版工具，通常属于 pax-utils 包，能够以树状结构显示依赖关系。

可以使用sudo apt install pax-utils命令安装lddtree工具；

主要功能

• 以层次化树形结构展示依赖关系
• 显示完整的依赖链和依赖传递关系
• 提供比 ldd 更详细的依赖分析

• 如下所示，用来演示的示例程序，libtest2调用了libtest1，untitled调用了libtest2，并且所有动态库和可执行程序都放在同一路径下；

  

• 直接运行./untitled提示找不到libtest2.so；

  

• 使用ldd命令查看依赖关系如下所示，明明动态库就在同一路径下，还是显示找不到libtest2.so；

  

• 使用lddtree命令查看；

  

5 查看动态库搜索路径

• 明明动态库存在，但是还是显示找不到，这时就可以使用LD_DEBUG环境变量或者readelf、patchelf、objdump等命令来排查；

• 默认情况下在 Linux 系统中，可执行程序在运行时需要链接动态库（共享库）。系统按照下面顺序搜索这些动态库：

  • 可执行文件本身的 DT_RPATH 或 DT_RUNPATH 段；
  • LD_LIBRARY_PATH 环境变量指定的目录；
  • LD_PRELOAD 环境变量;
  • /etc/ld.so.cache缓存文件，这是由 ldconfig 命令根据 /etc/ld.so.conf 及其包含的配置文件生成的缓存；

• 如下所示使用LD_DEBUG=libs ./untitled 命令显示库搜索过程，并没有包含./搜索路径，所以动态库放在当前路径也找不到；

  

• 使用readelf -d executable_name命令看完整的动态段信息如下所示，

  • RUNPATH段内容为/opt/Qt5.14.2/5.14.2/gcc_64/lib；
  • 程序运行就会优先从/opt/Qt5.14.2/5.14.2/gcc_64/lib路径去找动态库；

  

• 或者使用objdump -p executable_name也可以查看；

  

• 使用patchelf --print-rpath executable_name命令也可以查看；

  

• 使用echo $LD_LIBRARY_PATH命令可以查看LD_LIBRARY_PATH环境变量当前设置；

• 使用echo $LD_PRELOAD命令可以查看LD_PRELOAD环境变量当前设置；

主要区别对比

特性	LD_LIBRARY_PATH	LD_PRELOAD
作用机制	指定搜索目录	指定具体要加载的库文件
搜索方式	添加到库搜索路径中	直接加载指定的库文件
覆盖能力	不能覆盖同名库的特定版本	可以覆盖库中的具体函数
使用场景	解决库文件位置问题	实现库函数拦截和替换
语法格式	目录路径列表	具体库文件路径列表

• 使用cat /etc/ld.so.conf命令和cat /etc/ld.so.conf.d/*.conf命令可以查看/etc/ld.so.conf 配置文件指定系统范围内的动态链接库搜索路径；

  

• 使用ldconfig -p命令可以查看/etc/ld.so.cache缓存内容；

6 修改动态库搜索路径

DT_RPATH

• 传统的行为方式
• 会传递给依赖的共享库
• 在搜索 LD_LIBRARY_PATH 之前搜索

DT_RUNPATH

• 新的行为方式
• 不会传递给依赖的共享库
• 在搜索 LD_LIBRARY_PATH 之后搜索
• 默认情况下，现代链接器通常生成 DT_RUNPATH。

• 查看了所有的搜索路径都没有当前路径，那么将怎么将动态库放在当前路径，然后发布出去给用户呢；
• 方法1：通过安装脚本自动设置环境变量LD_LIBRARY_PATH；
• 方法2：修改程序本身的DT_RUNPATH段；

6.1 编译时设置RUNPATH

• 编译时使用g++的-rpath选项指定搜索路径；

• 通常与 -L 和 -l 选项一起使用

• -rpath 是一个链接器选项，用于在可执行文件或共享库中嵌入运行时库搜索路径；

• 不过需要注意的是，-rpath 通常是通过 -Wl 选项传递给链接器的，因为 g++ 本身不直接处理这个选项；

• 可以使用冒号分隔多个路径；

  g++ main.cpp -o main -L./ -ltest2 -Wl,-rpath,./:/home/mhf/
  

• 可以使用相对于可执行文件位置的路径，其中 $ORIGIN 表示可执行文件所在的目录：

  g++ -Wl,-rpath='$ORIGIN/lib' main.cpp -o myapp
  

• 编译后就可以在当前路径找到动态库了；

  

• 使用readelf -d main命令查看RUNPATH如下所示；

• 在qmake中可以通过下面代码设置，用法相同；

  QMAKE_LFLAGS += -Wl,-rpath,/usr/local/lib
  

• 在cmake中可以通过如下所示代码

  cmake_minimum_required(VERSION 3.15)project(main)
  # 查找 test2 库
  find_library(TEST2_LIBRARYNAMES test2PATHS ./
  )add_executable(${PROJECT_NAME} main.cpp)
  # 链接找到的库
  if(TEST2_LIBRARY)target_link_libraries(${PROJECT_NAME} PRIVATE ${TEST2_LIBRARY})
  else()message(FATAL_ERROR "test2 library not found")
  endif()
  # 设置查找路径
  target_link_options(${PROJECT_NAME} PRIVATELINKER:-rpath,./:home/user/lib
  )
  

6.2 修改可执行程序的RUNPATH

• 当可执行程序已经存在，不想重启编译或者没有源码重新编译；

• 可通过下面patchelf命令修改可执行文件本身的 DT_RPATH 或 DT_RUNPATH 段；

  patchelf --set-rpath '$ORIGIN/lib/' ./untitled
  

• 如下所示修改untitled后就可以找到libtest2.so了，但是libtest2.so依赖于libtest1.so，所以还需要修改libtest2.so的RUNPATH；

  

• 这样就完成了依赖的查找，程序就可以正常运行了。

  

  

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