Muokataan sivua Jaetut kirjastot

Aliohjelmakirjastolla, tai lyhyemmin kirjastolla, tarkoitetaan
kokoelmaa yleishyödyllisiä aliohjelmia tai funktioita, jotka on koottu
yhteen. Perusajatuksena on, ettei jokaista kehitettävää uutta ohjelmaa
varten tarvitsisi keksiä pyörää uudestaan, vaan ohjelman tekijä voi
hyödyntää jo olemassa olevia aliohjelmia. Tällöin ohjelman tekijä voi
nojautua olemassa olevaan alemman tason toiminnallisuuteen, kuten
syöttö- ja tulostusrutiineihin, ja keskittyä kirjoittamaan omalle
ohjelmalle olennaista koodia.

Jaettu kirjasto on aliohjelmakirjaston muunnelma, jossa kirjasto on talletettu erilliseen tiedostoon, jolloin sama kirjasto on jaettavissa monen ohjelman kesken.

==Ei-jaetut kirjastot==

Aliohjelmakirjasto voi olla kahdessa eri muodossa, riippuen
käyttötavasta: joko staattisena ei-jaettuna kirjastona tai jaettuna
kirjastona. Ei-jaettu kirjasto koostuu joukosta,
tyypillisesti [[C]]-kielisestä lähdekoodista käännetyistä
objektikooditiedostoista, jotka on koottu yhteen
arkistotiedostoon. Tällaisen tiedoston pääte on <tt>.a</tt>.

Kun ohjelma rakennetaan käyttäen ei-jaettua kirjastoa, ohjelman
linkkausvaiheessa kerrotaan mistä arkistotiedostosta sen pitä etsiä
kirjastossa olevia aliohjelmia. Linkkeri kopioi arkistotiedostosta
tarvittavat osat, ja liittää ne ohjelman lopulliseen
suoritustiedostoon.

Ei-jaetuissa kirjastoissa on haittapuolensa, jotka korostuvat sitä
mukaa kuin kirjastojen koot ja lukumäärä kasvavat. Koska linkkeri
liittää ohjelman rakennusvaiheessa ei-jaetusta kirjastosta tarvittavat
aliohjelmat, on jokaisessa kirjastoa käyttävässä ohjelmassa
aliohjelmista omat kopionsa. Tämä johtaa siihen, että ohjelmatiedostojen
koot kasvavat, mutta ennen kaikkea se vaikuttaa haitallisesti tietokoneen
keskusmuistin kulutukseen moniajojärjestelmässä, jossa on useampia
ohjelmia ajossa samanaikaisesti. Tilannetta helpottaa hieman se, että
älykäs linkkeri kopioi ainoastaan tarvittavat aliohjelmat, ei koko
kirjastoa, mutta käytännössä säästö ei ole kovin suuri.

==Jaetut kirjastot==

Edellä mainittua kirjastojen kopioitumisongelmaa ratkaisemaan on
kehitetty niin sanotut jaetut kirjastot. Jaettuja kirjastoja
käytettäessä ei kirjaston aliohjelmia liitetä osaksi suoritettavaa
ohjelmatiedostoa, vaan ohjelmaan liitetään vain viittaus jaetun
kirjaston sisältävään tiedostoon. Kun ohjelma suoritetaan, kirjasto
ladataan muistiin.

Linuxin muistinhallinassa on ominaisuus, joka mahdollistaa
keskusmuistisivujen jakamisen [[Prosessi|prosessien]] kesken. Prosesseilla on
erilliset muistiavaruudet, jotka on suojattu toisiltaan,
mutta on mahdollista järjestää asiat niin, että yksi fyysinen
muistisivu näkyy useamman prosessin muistiavaruudessa. Tällä
mekanismilla saadaan ratkaistuksi toinenkin ei-jaettujen kirjastojen
ongelma, eli koodin kopioituminen keskusmuistissa.

Myös kirjastojen määrittelemä data on jaettu prosessien
kesken. Kirjaston määrittelemät muuttujat eivät kuitenkaan ole
prosesseille yhteisiä, eli kun yhdessä prosessissa muutetaan muuttujan
arvoa, muutos ei saa näkyä toisessa prosessissa. Tämä on ratkaistu niin
sanotulla Copy-on-write -mekanismilla, jossa prosessille joka muuttaa
muuttujan arvoa, luodaan oma kopionsa musitisivusta, jossa muuttuja
sijaitsee.

Huomaa, että mekanismi ei suoranaisesti liity Linuxin jaettuihin
kirjastoihin, vaan on Linuxin ytimen ominaisuus jota hyödynnetään
jaettujen kirjastojen käsittelyssä.

==Jaettujen kirjastojen kehitys Linuxissa==

Alunperin Linuxissa ei ollut tukea jaetuille kirjastoille. Linuxin
alkuvuosina käytettiin Unixin perintönä niin sanottua
"a.out"-tiedostomuotoa suoritettaville ohjelmille.
a.out-tiedostomuodolle suunniteltiin Linuxia varten mekanismi jaettujen kirjastojen
käyttämiseksi, joka olikin käytössä jonkin aikaa. Tämän mekanismin
suurin puute oli se, että kirjastot oli rakennettu ladattaviksi
kiinteisiin osoitteisiin, joita ei pystytty enää muuttamaan
latausvaiheessa. Tämän tyyppisiä jaettuja kirjastoja sanotaan
''staattisiksi jaetuiksi kirjastoiksi''.

Latausosoitteiden joustamattomuuden takia samaan prosessiin ei voitu
ladata päällekkäisiä muistiosoitteita käyttäviä kirjastoja.
Päällekkäisyyksien välttämiseksi Linuxin jaetuista kirjastoista
pidettiin keskitettyä rekisteriä, jossa niille allokoitiin jokaiselle
omat käytettävissä olevat muistiavaruudet.

==Nykyaikaiset jaetut kirjastot==

Linux siirtyi versiosta 1.2 käyttämään uudempaa ELF (Executable and
Linkable Format) -tiedostomuotoa suoritettaville ohjelmille ja
kirjastoille. Tässä formaatissa on otettu paremmin huomioon jaettujen
kirjastojen asettamat vaatimukset. ELF-formaattissa on tuki
ns. relokoinnille, jonka ansiosta kirjaston voi ladata alkaen mistä
tahansa vapaana olevasta muistiosoitteesta. Tämä vaatii tosin jonkin verran
ylimääräistä työtä sekä kirjaston latausvaiheessa että ohjelman ajon
aikana.

===Jaettujen kirjastojen versionumerot===

Käytäntönä on, että jaetun kirjaston versionumero koostuu kahdesta
osasta, ns. major- ja minor-versionumerot. Major-numeroa muutetaan,
kun kirjasto on olennaisesti erilainen kuin edellinen
versio. Olennaisella muutoksella tarkoitetaan, että esimerkiksi
funktion kutsutapa muuttuu, tai että kirjaston aliohjelmat toimivat
eri tavalla kuin ennen. Minor-numero muuttuu tyypillisesti kun
kirjastossa on korjattu virhe. (Toki kirjasto toimii silloinkin eri
tavalla kuin sen edellinen versio, mutta tässä tapauksessa se on
korjattu toimivaksi siten kuin se on dokumentoitu toimivan.)

Kun jaettu kirjasto asennetaan järjestelmään, kirjaston sisältävän
tiedoston nimeksi annetaan nimi joka on muotoa
<tt>libfoo.so.''M''.''N''</tt>. M on tässä edellä mainittu major-versionumero
ja N vastaavasti minor-versionumero. Tiedoston pääte .so tulee
sanoista shared object, eli jaettu objektitiedosto. Samaan hakemistoon
luodaan symbolinen linkki, jonka nimi on libfoo.so.''M'', joka osoittaa
kirjaston sisältämään tiedostoon. Esimerkki:

 -rwxr-xr-x 1 root root 14616 Jul 24 19:34 libdl-2.13.so
 lrwxrwxrwx 1 root root    13 Jul 24 19:36 libdl.so.2 -> libdl-2.13.so

===Versioidut symbolit===

Edellä mainittu ei kuitenkaan ole koko totuus jaettujen kirjastojen
versioinnista. Linuxin jaetut kirjastot voivat sisältää myös
''versioituja symboleja'', joiden avulla sama kirjasto voi sisältää
monta eri versiota samannimisestä aliohjelmasta. Vanhempi ohjelma,
joka on rakennettu kirjaston vanhempaa versiota varten, löytää
kirjastosta vanhemman version aliohjelmasta, kun taas uudempi ohjelma
voi automaattisesti hyödyntää uutta versiota aliohjelmasta.

Jaetut kirjastot voivat olla käyttämättä versioituja symboleja,
kirjaston tekijän valinnan mukaan. Yksi esimerkki kirjastosta joka
käyttää niitä on standardikirjasto <tt>[[libc]]</tt>. Periaate on se, että
kaikki kirjaston aliohjelmat, jotka säilyvät muuttumattomina versiosta
toiseen, säilyttävät vanhan versionumeronsa. Kun kirjaston aliohjelmaa
muutetaan siten, ettei se ole enää yhteensopiva vanhan version kanssa,
kirjastoon lisätään uudella versionumerolla varustettu aliohjelma
vanhan rinnalle.

Kun ohjelma linkataan <tt>libc</tt>:llä, kirjastosta otetaan lähes poikkeuksetta
käyttöön uusin versio aliohjelmista. Kun suoritetaan vanhaa ohjelmaa,
joka on rakennusvaiheessa linkattu vanhempaa <tt>libc</tt>:tä
käyttäen, se on myös yhteensopiva uuden jaetun kirjaston kanssa, sillä
uudesta kirjastosta löytyy myös vanhemmat versiot
aliohjelmista. Uudella <tt>libc</tt>:llä linkattu ohjelmatiedosto
'''saattaa''' myös toimia siirrettynä ympäristöön, jossa on vanhempi
versio jaetusta kirjastosta. Tämä edellyttää kuitenkin, että ohjelma
ei käytä aliohjelmaa, josta on uudempi versio kirjastossa jota vasten
se on rakennettu. Nyrkkisääntönä on siis, että vanhempi ohjelma on
yhteensopiva uudemman kirjaston kanssa, mutta uudempi ohjelma ei
välttämättä toimi vanhemman kirjaston kanssa.

Tarkastellaan edellistä esimerkin valossa. <tt>libc</tt>-kirjasto
määrittelee <tt>realpath</tt>-funktion:

 char *realpath(const char *path, char *resolved_path);

[[GNU]] Libc -kirjaston versiossa 2.3 muutettiin funktion toimintaa siten,
että resolved_path-parametrin arvoksi hyväksytään myös NULL, jolloin
funktio itse varaa tarvittavan muistin ja palauttaa sen funktion
paluuarvona.

<tt>readelf</tt>-ohjelmalla voi luetella kirjaston aliohjelmien nimet:

 readelf -s /lib/libc.so.6

Tulosteesta löytyy kaksi <tt>realpath</tt>-funktiota:

 1167: 000000000010e3c0    33 FUNC    GLOBAL DEFAULT   11 realpath@GLIBC_2.2.5
 1168: 000000000003d210  1213 FUNC    GLOBAL DEFAULT   11 realpath@@GLIBC_2.3

Ohjelma, joka on tehty vanhemmalla <tt>libc</tt>:n versiolla kuin 2.3,
sisältää viittauksen 2.2.5-versioon funktiosta, uudemmat ohjelmat
käyttävät versiota 2.3.

===Jaettua kirjastoa käyttävän ohjelman lataus===

Kun uusi ohjelma käynnistetään, käyttöjärjestelmän ydin lataa ohjelman
keskusmuistiin. Tarkemmin sanottuna, latausta ei tehdä vielä tässä
vaiheessa, vaan tehdään kuvaus ([[mmap]]) ohjelmatiedostosta prosessin
muistiavaruuteen. Lataus massamuistilta keskumuistiin tapahtuu sitä
mukaa kuin ohjelman suoritus etenee; jos ohjelman kontrolli siirtyy
muistisivulle, joka on "tyhjä", eli jonka sisältöä ei ole ladattu
massamuistilta, tapahtuu ns. ''page fault''. Tällöin ytimen
poikkeuskäsittelijä lataa sivun sisällön ohjelmatiedostosta ennen kuin
suoritus voi jatkua.

Jos ohjelma käyttää ainakin yhtä jaettua kirjastoa, ohjelmaa ei vielä
käynnistetä tässä vaiheessa. Sen sijaan käyttöjärjestelmän ydin lukee
ELF-ohjelmatiedostosta dynaamisen linkkerin nimen. Dynaaminen linkkeri
on jaetun kirjaston muodossa oleva ohjelma, jonka tehtävänä on ladata
jaetut kirjastot muistiin. Dynaamisen linkkerin nimi on kerrottu
ELF-tiedoston .interp-sektiossa (sanasta "interpreter", eli tulkki),
ja se on sinne kirjoitettu ohjelman rakennusvaiheessa. Ydin lataa myös
dynaamisen linkkerin prosessin muistiavaruuteen ja siirtää ohjelman
suorituksen siihen. Dynaamisen linkkerin nimi riippuu käytettävästä
prosessoriarkkitehtuurista, 64-bittisessä x86_64-koneessa se sijaitsee
tiedostossa <tt>/lib64/ld-linux-x86-64.so.2</tt>.

Syy miksi näin tehdään on se, että ohjelma ei ole vielä ajokelpoinen
ilman tarvitsemiaan jaettuja kirjastoja. Yksinkertaisimmankin
C-kielellä kirjoitetun ohjelman suoritys tyssäisi heti ensimmäiseen
<tt>printf</tt>-funktion kutsuun. Tämän ongelman olisi tietysti voinut
ratkaista siten, että dynaamisen linkkerin toiminnallisuus olisi
sisällytetty ytimeen ja ydin olisi ladannut sekä ohjelman että
ohjelman tarvitsemat kirjastot muistiin ennen suorituksen alkua. Tätä
ei kuitenkaan haluta tehdä, sillä ydin halutaan pitää mahdollisimman
pienenä ja toiminnallisuus, jota ytimessä ei tarvita, siirretään pois
sieltä.

===Miten dynaaminen linkkeri löytää jaetut kirjastot?===

Dynaaminen linkkeri etsii dynaamisia jaettuja kirjastoja seuraavassa
järjestyksessä:

# Jos ohjelman ELF-tiedosto sisältää ''DT_RPATH''-sektion, se sisältää listan hakemistoja, joista dynaaminen linkkeri etsii jaettuja kirjastoja (tätä mekanismia ei enää suositella käytettäväksi).
# Jos [[ympäristömuuttuja]] LD_LIBRARY_PATH on määritelty, ja se sisältää kasoispisteillä erotettuja hakemistojen nimiä, kirjastoja etsitään näistä hakemistoista.
# Jos ohjelman ELF-tiedosto sisältää ''DT_RUNPATH''-sektion, se sisältää listan hakemistoja, joista dynaaminen linkkeri etsii jaettuja kirjastoja.
# Kirjastoa etsitään <tt>/etc/ld.so.cache</tt>-tiedostosta. Tämä on normaali tapa, jolla dynaaminen linkkeri paikallistaa jaetut kirjastot.
# Viimeisenä oljenkortena dynaaminen linkkeri etsii kirjastoja hakemistoista /lib ja /usr/lib (ellei ohjelmaa ole linkattu <tt>-z nodeflib</tt>-optiolla).

LD_LIBRARY_PATH-muuttujaa ei turvallisuussyistä huomioida, jos suoritettava ohjelma on [[suid]]-binääri. Huomaa, että kirjastoa oletusarvoisesti ''ei'' etsitä
* hakemistosta, jossa ohjelma on käynnistetty
* hakemistosta, jossa ohjelmatiedosto sijaitsee

<tt>/etc/ld.so.cache</tt>-tiedosto on binääritiedosto, joka sisältää
kuvauksia kirjaston nimestä kirjaston sisältävän tiedoston
absoluuttiseen tiedostopolkuun. Kirjaston virallinen nimi on kerrottu
''soname''-kentässä kirjaston sisällä olevassa
<tt>.dynamic</tt>-sektiossa. Tämän nimen ei tarvitse olla sama kuin
kirjaston sisältämän tiedoston nimi. Muissa tapauksissa kuin kohdassa
4 yllä olevassa hakujärjestyksessä käytetään kuitenkin tiedoston nimeä
samannimisen kirjaston paikallistamiseen.

Aina kun järjestelmään on asennettu uusi jaettu kirjasto (joko
kokonaan uusi, tai uusi versio olemassaolevasta kirjastosta), pitää
suorittaa <tt>[[ldconfig]]</tt>-ohjelma. Tämä ohjelma päivittää yllä
mainitun <tt>/etc/ld.so.cache</tt>-tiedoston ajan tasalle, ja
huolehtii lisäksi siitä, että aiemmin mainitut symboliset linkit
osoittavat viimeisimpään versioon kirjastosta.
<tt>ldconfig</tt>-ohjelma lukee luettelon hakemistoista, joista
kirjastoja etsitään, tiedostosta <tt>/etc/ld.so.conf</tt>.

Huom! Jos kirjastoja asennetaan jakelun ohjelmapaketeista, kaikesta tästä on tietenkin huolehdittu ja tapahtuu automaattisesti, eikä <tt>ldconfig</tt>-ohjelmaa ole tarvetta suorittaa "käsin".

==Jaettujen kirjastojen lataaminen ohjelmakoodista==

Dynaamisen jaetun kirjaston pystyy myös lataamaan ohjelmasta käsin,
ajon aikana. Tämä tapahtuu <tt>dlopen</tt>-funktiolla, joka palauttaa
onnistuneen kutsun tuloksena kahvan jaettuun kirjastoon. Kahvaa
annetaan <tt>dlsym</tt>-funktiolle, joka palauttaa osoitteen, johon
haluttu symboli on ladattu muistiin. Lisätietoja <tt>dlopen</tt>:n
manuaalisivulla.

==Lisätietoja==

Ohjelman käyttämistä dynaamisista jaetuista kirjastoista saa tietoa
komennolla <tt>[[ldd]]</tt>.

Esimerkki:

 ldd /bin/ls

 linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fff5ddff000)
 librt.so.1 => /lib64/librt.so.1 (0x00007f1e64e7c000)
 libacl.so.1 => /lib64/libacl.so.1 (0x00007f1e64c73000)
 libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f1e648ed000)
 libpthread.so.0 => /lib64/libpthread.so.0 (0x00007f1e646d0000)
 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f1e65085000)
 libattr.so.1 => /lib64/libattr.so.1 (0x00007f1e644cb000)

<tt>ldd</tt>-komento myös ilmoittaa, jos jokin ohjelman tarvitsemista
kirjastoista ei löydy.

Muita kiinnostavia ohjelmia, joilla voi tutkia kirjastoja,
objektitiedostoja ja ohjelmia ovat <tt>[[readelf]]</tt> ja
<tt>[[objdump]]</tt>.

[[Luokka:Käsitteet]]
[[Luokka:Järjestelmä]]