深入理解 System.loadLibrary

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这是一个创建于 2715 天前的主题，其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

原文链接：https://pqpo.me/2017/05/31/system-loadlibrary/

本文主要讲述 Android 加载动态链接库的过程及其涉及的底层原理。会先以一个 Linux 的例子描述 native 层加载动态链接库的过程，再从 Java 层由浅入深分析 System.loadLibrary

如果对 JNI 技术不太熟悉，可以先看先前关于 JNI 的文章《理解 JNI 技术》首先我们知道在 Android 中加载一个动态链接库非常简单，只需一行代码:


System.loadLibrary("native-lib");

事实上这是 Java 提供的 API，对于 Java 层实现基本一致，但是对于不同的 JVM 其底层(native)实现会有所差异。本文分析的代码基于 Android 6.0 系统。看过《理解 JNI 技术》的应该知道上述代码执行过程中会调用 native 层的 JNI_OnLoad 方法，一般用于动态注册 native 方法。

# Linux 系统加载动态库过程分析

Android 是基于 Linux 系统的，那么在 Linux 系统下是如何加载动态链接库的呢？如果对此不敢兴趣或者对 C++比较陌生的可以先跳到后面阅读 Android Java 层实现部分，但是最终还是会涉及到 native 代码。当然你也可以直接跳到末尾看结论。

Linux 环境下加载动态库主要包括如下方法，位于头文件#include <dlfcn.h>中：


void *dlopen(const char *filename, int flag);  //打开动态链接库
char *dlerror(void);   //获取错误信息
void *dlsym(void *handle, const char *symbol);  //获取方法指针
int dlclose(void *handle); //关闭动态链接库

在 Linux 环境下可以通过下述命令查看具体使用方法:


man dlopen

下面我们来看一下如何在 Linux 环境下创建动态链接库，并加载使用动态链接库中的函数。下面是一个简单的 C++文件，作为动态链接库包含计算相关函数： [caculate.cpp]


extern "C"
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

extern "C"
int mul(int a, int b) {
    return a*b;
}

对于 C++文件函数前的 extern “ C ” 不能省略，原因是 C++编译之后会修改函数名，之后动态加载函数的时候会找不到该函数。加上 extern “ C ”是告诉编译器以 C 的方式编译，不用修改函数名。然后通过下述命令编译成动态链接库：


g++ -fPIC -shared caculate.cpp -o libcaculate.so

这样会在同级目录生成一个动态库文件：libcaculate.so 然后编写加载动态库的代码： [main_call.cpp]


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

using namespace std;

static const char * const LIB_PATH = "./libcaculate.so";

typedef int (*CACULATE_FUNC)(int, int);

int main() {

	void* symAdd = nullptr;
	void* symMul = nullptr;
	char* errorMsg = nullptr;

	dlerror();
	//1.打开动态库，拿到一个动态库句柄
	void* handle = dlopen(LIB_PATH, RTLD_NOW);

	if(handle == nullptr) {
		cout << "load error!" << endl;
		return -1;
	}
        // 查看是否有错误
	if ((errorMsg = dlerror()) != nullptr) {
		cout << "errorMsg:" << errorMsg << endl;
		return -1;
	}

	cout << "load success!" << endl;

        //2.通过句柄和方法名获取方法指针地址
	symAdd = dlsym(handle, "add");
	if(symAdd == nullptr) {
		cout << "dlsym failed!" << endl;
		if ((errorMsg = dlerror()) != nullptr) {
		cout << "error message:" << errorMsg << endl;
		return -1;
	}
	}
        //3.将方法地址强制类型转换成方法指针
	CACULATE_FUNC addFunc = reinterpret_cast(symAdd);
        //4.调用动态库中的方法
	cout << "1 + 2 = " << addFunc(1, 2) << endl;
        //5.通过句柄关闭动态库
	dlclose(handle);
	return 0;
}

还是比较容易理解的，主要就用了上面提到的 4 个函数，过程如下：

打开动态库，拿到一个动态库句柄
通过句柄和方法名获取方法指针地址
将方法地址强制类型转换成方法指针
调用动态库中的方法
通过句柄关闭动态库

中间会使用 dlerror 检测是否有错误。有必要解释一下的是方法指针地址到方法指针的转换，为了方便这里定义了一个方法指针的别名：


typedef int (*CACULATE_FUNC)(int, int);

指明该方法接受两个 int 类型参数返回一个 int 值。拿到地址之后强制类型转换成方法指针用于调用：


CACULATE_FUNC addFunc = reinterpret_cast(symAdd);

最后只要编译运行即可：


g++ -std=c++11 -ldl main_call.cpp -o main
.main

上面就是 Linux 环境下创建动态库，加载并使用动态库的全部过程。由于 Android 基于 Linux 系统，所以我们有理由猜测 Android 系统底层也是通过这种方式加载并使用动态库的。下面开始从 Android 上层 Java 代码开始分析。

# System.loadLibrary

[System.java]


public static void loadLibrary(String libName) {
    Runtime.getRuntime().loadLibrary(libName, VMStack.getCallingClassLoader());
}

此处 VMStack.getCallingClassLoader()拿到的是调用者的 ClassLoader，一般情况下是 PathClassLoader。 [Runtime.java]


    void loadLibrary(String libraryName, ClassLoader loader) {
        if (loader != null) {
            String filename = loader.findLibrary(libraryName);
            if (filename == null) {
                // It's not necessarily true that the ClassLoader used
                // System.mapLibraryName, but the default setup does, and it's
                // misleading to say we didn't find "libMyLibrary.so" when we
                // actually searched for "liblibMyLibrary.so.so".
                throw new UnsatisfiedLinkError(loader + " couldn't find \"" +
                                               System.mapLibraryName(libraryName) + "\"");
            }
            String error = doLoad(filename, loader);
            if (error != null) {
                throw new UnsatisfiedLinkError(error);
            }
            return;
        }

        String filename = System.mapLibraryName(libraryName);
        List candidates = new ArrayList();
        String lastError = null;
        for (String directory : mLibPaths) {
            String candidate = directory + filename;
            candidates.add(candidate);

            if (IoUtils.canOpenReadOnly(candidate)) {
                String error = doLoad(candidate, loader);
                if (error == null) {
                    return; // We successfully loaded the library. Job done.
                }
                lastError = error;
            }
        }

        if (lastError != null) {
            throw new UnsatisfiedLinkError(lastError);
        }
        throw new UnsatisfiedLinkError("Library " + libraryName + " not found; tried " + candidates);
    }

这里根据 ClassLoader 是否存在分了两种情况，当 ClasssLoader 存在的时候通过 loader 的 findLibrary()查看目标库所在路径，当 ClassLoader 不存在的时候通过 mLibPaths 加载路径。最终都会调用 doLoad 加载动态库。下面只讲 ClassLoader 存在的情况，不存在的情况更加简单。findLibrary 位于 PathClassLoader 的父类 BaseDexClassLoader 中： [BaseDexClassLoader.java]


@Override
public String findLibrary(String name) {
   return pathList.findLibrary(name);
}

其中 pathList 的类型为 DexPathList，它的构造方法如下： [DexPathList.java]


    public DexPathList(ClassLoader definingContext, String dexPath,
            String libraryPath, File optimizedDirectory) {
        // 省略其他代码
        this.nativeLibraryDirectories = splitPaths(libraryPath, false);
        this.systemNativeLibraryDirectories =
                splitPaths(System.getProperty("java.library.path"), true);
        List allNativeLibraryDirectories = new ArrayList<>(nativeLibraryDirectories);
        allNativeLibraryDirectories.addAll(systemNativeLibraryDirectories);

        this.nativeLibraryPathElements = makePathElements(allNativeLibraryDirectories, null,suppressedExceptions);

        if (suppressedExceptions.size() > 0) {
            this.dexElementsSuppressedExceptions =
                suppressedExceptions.toArray(new IOException[suppressedExceptions.size()]);
        } else {
            dexElementsSuppressedExceptions = null;
        }
    }

这里收集了 Apk 的 so 目录，一般位于：/data/app/${package-name}/lib/arm/ 还有系统的 so 目录：System.getProperty(“ java.library.path ”)，可以打印看一下它的值：/vendor/lib:/system/lib，其实就是前后两个目录，事实上 64 位系统是 /vendor/lib64:/system/lib64。最终查找 so 文件的时候就会在这三个路径中查找，优先查找 APK 目录。 [DexPathList.java]


 public String findLibrary(String libraryName) {
        String fileName = System.mapLibraryName(libraryName);

        for (Element element : nativeLibraryPathElements) {
            String path = element.findNativeLibrary(fileName);

            if (path != null) {
                return path;
            }
        }

        return null;
    }

String fileName = System.mapLibraryName(libraryName)的实现很简单： [System.java]


public static String mapLibraryName(String nickname) {
        if (nickname == null) {
            throw new NullPointerException("nickname == null");
       }
        return "lib" + nickname + ".so";
}

也就是为什么动态库的命名必须以 lib 开头了。然后会遍历 nativeLibraryPathElements 查找某个目录下是否有改文件，有的话就返回： [DexPathList.java]


public String findNativeLibrary(String name) {
      maybeInit();
      if (isDirectory) {
         String path = new File(dir, name).getPath();
         if (IoUtils.canOpenReadOnly(path)) {
             return path;
         }
      } else if (zipFile != null) {
         String entryName = new File(dir, name).getPath();
         if (isZipEntryExistsAndStored(zipFile, entryName)) {
             return zip.getPath() + zipSeparator + entryName;
         }
      }
      return null;
}

回到 Runtime 的 loadLibrary 方法，通过 ClassLoader 找到目标文件之后会调用 doLoad 方法： [Runtime.java]


private String doLoad(String name, ClassLoader loader) {
        String ldLibraryPath = null;
        String dexPath = null;
        if (loader == null) {
            ldLibraryPath = System.getProperty("java.library.path");
        } else if (loader instanceof BaseDexClassLoader) {
            BaseDexClassLoader dexClassLoader = (BaseDexClassLoader) loader;
            ldLibraryPath = dexClassLoader.getLdLibraryPath();
        }
        synchronized (this) {
            return nativeLoad(name, loader, ldLibraryPath);
        }
    }

这里的 ldLibraryPath 和之前所述类似，loader 为空时使用系统目录，否则使用 ClassLoader 提供的目录，ClassLoader 提供的目录中包括 apk 目录和系统目录。最后调用 native 代码： [java_lang_Runtime.cc]


static jstring Runtime_nativeLoad(JNIEnv* env, jclass, jstring javaFilename, jobject javaLoader,jstring javaLdLibraryPathJstr) {
  ScopedUtfChars filename(env, javaFilename);
  if (filename.c_str() == nullptr) {
    return nullptr;
  }

  SetLdLibraryPath(env, javaLdLibraryPathJstr);

  std::string error_msg;
  {
    JavaVMExt* vm = Runtime::Current()->GetJavaVM();
    bool success = vm->LoadNativeLibrary(env, filename.c_str(), javaLoader, &error_msg);
    if (success) {
      return nullptr;
    }
  }

  // Don't let a pending exception from JNI_OnLoad cause a CheckJNI issue with NewStringUTF.
  env->ExceptionClear();
  return env->NewStringUTF(error_msg.c_str());
}

继续调用 JavaVMExt 对象的 LoadNativeLibrary 方法： [java_vm_ext.cc]


bool JavaVMExt::LoadNativeLibrary(JNIEnv* env, const std::string& path, jobject class_loader,std::string* error_msg) {
  error_msg->clear();
  SharedLibrary* library;
  Thread* self = Thread::Current();
  {
    MutexLock mu(self, *Locks::jni_libraries_lock_);
    library = libraries_->Get(path);
  }
  if (library != nullptr) {
    if (env->IsSameObject(library->GetClassLoader(), class_loader) == JNI_FALSE) {
      StringAppendF(error_msg, "Shared library \"%s\" already opened by "
          "ClassLoader %p; can't open in ClassLoader %p",
          path.c_str(), library->GetClassLoader(), class_loader);
      LOG(WARNING) << error_msg;
      return false;
    }
    if (!library->CheckOnLoadResult()) {
      StringAppendF(error_msg, "JNI_OnLoad failed on a previous attempt "
          "to load \"%s\"", path.c_str());
      return false;
    }
    return true;
  }
  Locks::mutator_lock_->AssertNotHeld(self);
  const char* path_str = path.empty() ? nullptr : path.c_str();
  //1.打开动态链接库
  void* handle = dlopen(path_str, RTLD_NOW);
  bool needs_native_bridge = false;
  if (handle == nullptr) {
    if (android::NativeBridgeIsSupported(path_str)) {
      handle = android::NativeBridgeLoadLibrary(path_str, RTLD_NOW);
      needs_native_bridge = true;
    }
  }
  if (handle == nullptr) {
    //检查错误信息
    *error_msg = dlerror();
    VLOG(jni) << "dlopen(\"" << path << "\", RTLD_NOW) failed: " << *error_msg; return false; } if (env->ExceptionCheck() == JNI_TRUE) {
    LOG(ERROR) << "Unexpected exception:"; env->ExceptionDescribe();
    env->ExceptionClear();
  }
  bool created_library = false;
  {
    std::unique_ptr new_library(new SharedLibrary(env, self, path, handle, class_loader));
    MutexLock mu(self, *Locks::jni_libraries_lock_);
    library = libraries_->Get(path);
    if (library == nullptr) {  // We won race to get libraries_lock.
      library = new_library.release();
      libraries_->Put(path, library);
      created_library = true;
    }
  }
  if (!created_library) {
     return library->CheckOnLoadResult();
  }
  bool was_successful = false; 
  void* sym; 
  if (needs_native_bridge) { library->SetNeedsNativeBridge();
    sym = library->FindSymbolWithNativeBridge("JNI_OnLoad", nullptr);
  } else {
    //2.获取方法地址
    sym = dlsym(handle, "JNI_OnLoad");
  }
  if (sym == nullptr) {
    VLOG(jni) << "[No JNI_OnLoad found in \"" << path << "\"]";
    was_successful = true;
  } else {
    ScopedLocalRef old_class_loader(env, env->NewLocalRef(self->GetClassLoaderOverride()));
    self->SetClassLoaderOverride(class_loader);
    typedef int (*JNI_OnLoadFn)(JavaVM*, void*);
    //3.强制类型转换成函数指针
    JNI_OnLoadFn jni_on_load = reinterpret_cast(sym);
    //4.调用函数
    int version = (*jni_on_load)(this, nullptr);
    if (runtime_->GetTargetSdkVersion() != 0 && runtime_->GetTargetSdkVersion() <= 21) { fault_manager.EnsureArtActionInFrontOfSignalChain(); } self->SetClassLoaderOverride(old_class_loader.get());
    if (version == JNI_ERR) {
      StringAppendF(error_msg, "JNI_ERR returned from JNI_OnLoad in \"%s\"", path.c_str());
    } else if (IsBadJniVersion(version)) {
      StringAppendF(error_msg, "Bad JNI version returned from JNI_OnLoad in \"%s\": %d",
                    path.c_str(), version);
    } else {
      was_successful = true;
    }
  return was_successful;
}

这个函数有点长，主要看注释的地方。开始的时候会查看动态库是否已经加载过，之后会通过 dlopen 打开动态共享库。然后会获取动态库中的 JNI_OnLoad 方法，如果有的话调用之。最后会通过 JNI_OnLoad 的返回值确定是否加载成功：


static bool IsBadJniVersion(int version) {
  // We don't support JNI_VERSION_1_1\. These are the only other valid versions.
  return version != JNI_VERSION_1_2 && version != JNI_VERSION_1_4 && version != JNI_VERSION_1_6;
}

这也是为什么在 JNI_OnLoad 函数中必须正确返回的原因。可以看到最终没有调用 dlclose，当然也不能调用，这里只是加载，真正的函数调用还没有开始，之后就会使用 dlopen 拿到的句柄来访问动态库中的方法了。看完这篇文章我们明确了几点：

System.loadLibrary 会优先查找 apk 中的 so 目录，再查找系统目录，系统目录包括：/vendor/lib(64)，/system/lib(64)
System.loadLibrary 加载过程中会调用目标库的 JNI_OnLoad 方法，我们可以在动态库中加一个 JNI_OnLoad 方法用于动态注册
如果加了 JNI_OnLoad 方法，其的返回值为 JNI_VERSION_1_2，JNI_VERSION_1_4，JNI_VERSION_1_6 其一。我们一般使用 JNI_VERSION_1_4 即可
Android 动态库的加载与 Linux 一致使用 dlopen 系列函数，通过动态库的句柄和函数名称来调用动态库的函数

5 条回复 • 2021-02-19 15:02:05 +08:00