Criação de Bibliotecas Dinâmicas em C

Se você já tentou instalar aplicações em sistemas Linux ou em Unix-likes sem a ajuda de um gerenciador de pacotes provavelmente, em algum momento já se deparou com erros como esse:

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

Neste posts eu quero ensinar como criar esses erros :). Quero explicar como criar bibliotecas que são linkadas em tempo de execução, porém primeiro quero dar uma pequena introdução no processo de compilação e mostrar vantagens e desvantagens desse modo de criação de bibliotecas.

O Processo da Compilação

O que significa compilar um código?

Compilação é o processo que traduz uma determinada linguagem em outra. Neste artigo focaremos o processo de compiação das linguagens C e C++, neste caso o processo traduz o código escrito utilizando a gramatica da linguagem que é compreensível pelos seres humanos(pelo menos por alguns) para um código que o sistema operacional e hardware entendam, chamado código objeto. Este código ainda não é nosso programa final, ele ainda não pode ser executado. Após a compilação deve acontecer um processo chamado linkagem. Onde códigos são acoplados no código do nosso programa. Por exemplo, quando criamos um simples “Hello World!” em C, não estamos criando a função printf, mas ela deve estar no código para o programa ser executado, por isso o #include é necessário. Após a compilação do código as instruções da função printf ainda não estão presentes, é no processo de linkagem que código do printf(e muitos outros) é incorporado ao nosso.

/*
  file: hello.c
*/
# include <stdio.h>
int main(){
    printf(&quot;Hello World!\n&quot;);
    return 0;
}

# compilando o codigo
gcc hello.c -c
# linkagem
gcc -o hello hello.o

Quando criamos várias bibliotecas separadas, como o código abaixo, todo este código será incorporado no arquivo final de nosso programa.

/*
  arquivo: fatorial.c
*/

# include "fatorial.h"

unsigned long int fatorial(unsigned long int valor)
{
  unsigned long total = 1;
  int i;
  for(i=valor;i>=2;i--)
    total *= i;

  return total;
}

/*
  arquivo: fatorial.h
*/

unsigned long int fatorial(unsigned long int valor);

/*
  arquivo: program.c
*/

# include <stdio.h>
# include &quot;fatorial.h&quot;

int main(){

  unsigned long int valor;

  printf(&quot;Digite um valor:\n&quot;);
  scanf(&quot;%lu&quot;, &amp;amp;valor);

  printf(&quot;O fatorial de %lu é %lu\n&quot;,valor,fatorial(valor));

  return 0;
}

O programa acima pode ser gerado com os seguintes comandos:

gcc -c fatorial.c
gcc -o program program.c fatorial.o

Quando criamos o arquivo final do programa, todo o código do fatorial está embutido fisicamente nele. Se for necessário alterar algo em fatorial.c o programa precisa ser recompilado e é ai que problemas podem acontecer. “Como assim? É só executar esses dois comandos e pronto”, neste caso sim, pois o exemplo é bem simples, mas imagine por exemplo se alguma falha é encontrada em uma biblioteca um pouco mais usada como libssl(só por curiosidade fica o link ai: Comunicado do Projeto Debian sobre falha no SSL, quantas aplicações precisariam ser recompiladas? Ou por exemplo as libs que fazem parte Qt ou do Gtk, quantas aplicações usam essas libs? Outro problema, se tivermos varias aplicações usando as mesmas rotinas e essas rotinas sempre ficam dentro do binário final, ocupando espaço em disco e principalmente, em memória, um grande desperdício é gerado. Neste momento que entram as Bibliotecas Dinâmicas(compartilhadas). Essas bibliotecas são linkadas ao programa em tempo de execução e as rotinas não estão no binário do programa.

Utilizando Bibliotecas Dinâmicas

No mundo Unix-like e Linux as bibliotecas dinâmicas possuem o seguinte padrão de nome: _lib.so._, sendo que a versão é opcional e o será passado para o compilador e por fim _so_ significa _shared object_. As bibliotecas devem estar em diretórios específicos como os _/lib_ e _/usr/lib_, porém novos diretórios podem ser adicionados, basta adiciona-los na variável de ambiente LD_LIBRARY_PATH(cada diretório dever estar separados por ':', da mesma forma que a variável PATH) ou utilizando o comando ldconfig, este pode receber como parâmetro o diretório com caminho absoluto onde estão as libs.

Para compilar o programa utilizando uma biblioteca dinâmica o parâmetro -l deve ser passado seguido do nome da lib, como por exemplo -lm ou -lglut. Para vermos quais libs serão requiridas por um programa podemos utilizar o comando _ldd _.

A outra forma de utilização do biblioteca dinâmica, carrega-la em tempo de execução, dentro do código.

Criando Bibliotecas Dinâmicas

Não precisamos alterar os arquivo fatorial.c e fatorial.h para criar nossa biblioteca dinâmica, precisamos sim alterar a forma de compilação dos mesmos. Na compilação do fatorial.c passaremos agora o parâmetro -shared para o gcc, a opção -fPIC
e a opção -o com valor libfatorial.so.

gcc -shared -fPIC fatorial.c -o libfatorial.so
# para criação do programa utilizando a lib
gcc -o program program.c -L. -lfatorial

A resposta do programa será a mesma com a compilação anterior. Um teste legal que pode ser feito neste momento é alterar o valor retornado na função fatorial para um qualquer, mesmo que errado e recompile apenas o lib e execute o programa, você ira notar que o programa alterou o resultado sem ser compilado novamente.

Essa forma de uso não irá embutir o código da lib durante a linkagem mas será linkado durante a execução do programa. Se a lib não for encontrada nos diretórios configurados o programa abortara apontando o erro descrito no começo do post.

Há uma outra forma de uso da biblioteca dinâmica, nós podemos carregar a lib durante a execução no nosso programa usando a lib dl. Abaixo está um programa carregando a lib fatorial em tempo de execução.

/*
file: program_load.c
*/

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

int main()
{
  void *handle;
  unsigned long int (*fatorial)(unsigned long int);
  unsigned long int  valor;
  char *error;
  
  handle = dlopen(&quot;libfatorial.so.1.0&quot;,RTLD_LAZY);
  if(!handle)
  {
    fprintf(stderr, &quot;%s\n&quot;, dlerror());
    exit(1);
  }
  
  fatorial  = dlsym(handle, &quot;fatorial&quot;);
  if((error = dlerror()) != NULL)
  {
    fprintf(stderr,&quot;%s\n&quot;, error);
    exit(1);
  }
  
  printf(&quot;Digite um valor:\n&quot;);
  scanf(&quot;%lu&quot;, &amp;amp;valor);
  
  printf(&quot;O fatorial de %lu é %lu\n&quot;,valor,(*fatorial)(valor));
  
  dlclose(handle);
  return 0;
}

O código acima pode ser compilado com o seguinte comando:

gcc -o program_load program_load.c  -ldl

Se a lib não for encontrada o programa poderá ser iniciado, diferente da forma de linkagem anterior, assim podemos tratar a ausência da biblioteca. Esta forma é muito útil na criação de plugins para programas.

Mais informações sobre as funções da lib dl pode ser encontrados no man pages, por exemplo: man dlopen.

Criei um repositório no github e os códigos relacionados a este post pode ser encontrado aqui.

Qualquer dúvida os comentários podem ser utilizados.