動的ロード

動的ロードは、コンピュータプログラムが実行時にライブラリ（またはその他のバイナリ）をメモリにロードし、ライブラリに含まれる関数と変数のアドレスを取得し、それらの関数を実行したりそれらの変数にアクセスしたり、ライブラリをメモリからアンロードしたりできるメカニズムです。これは、コンピュータプログラムがプログラム内で他のソフトウェアを使用できる3つのメカニズムの1つです。他の3つは静的リンクと動的リンクです。静的リンクや動的リンクとは異なり、動的ロードでは、コンピュータプログラムはこれらのライブラリがなくても起動し、利用可能なライブラリを検出し、潜在的に追加の機能を得ることができます。^{[1] [2]}

動的ロードは、 OS/360などのIBM のSystem/360向けオペレーティング システムでは一般的な手法であり、特にI/OサブルーチンやCOBOLおよびPL/Iランタイム ライブラリで使用されていました。また、 z/OSなどのIBM のz/Architecture向けオペレーティング システムでも引き続き使用されています。アプリケーション プログラマーに関する限り、ロードはオペレーティング システム (またはその I/O サブシステム) によってほとんど処理されるため、ほとんど透過的です。主な利点は次のとおりです。

• サブシステムの修正（パッチ）により、すべてのプログラムが一度に修正され、再リンクする必要がなくなりました。
• ライブラリは不正な変更から保護される可能性がある

IBMの戦略的トランザクション処理システムであるCICS（1970年代以降）は、カーネルと通常のアプリケーションプログラムのロードの両方で動的ロードを広範に使用しています。アプリケーションプログラムの修正はオフラインで実行でき、変更されたプログラムの新しいコピーはCICS ^{[3] [4]}を再起動することなく動的にロードされます（CICSは24時間365日稼働可能であり、実際に頻繁に稼働しています）。

共有ライブラリは1980年代にUnixに追加されましたが、当初はプログラムの起動後に追加のライブラリをロードする機能はありませんでした。^[5]

動的ロードは、ソフトウェアプラグインの実装で最も頻繁に使用されます。^[1]たとえば、Apache Webサーバーの *.dso「動的共有オブジェクト」プラグインファイルは、動的ロードによって実行時にロードされるライブラリです。 ^[6]動的ロードは、複数の異なるライブラリが必要な機能を提供する可能性があり、ユーザーがどのライブラリを提供するかを選択できる コンピュータプログラムの実装にも使用されます。

すべてのシステムが動的読み込みをサポートしているわけではありません。macOS 、 Linux 、 SolarisなどのUnix 系オペレーティング システムでは、 C プログラミング言語の「dl」ライブラリを使用して動的読み込みが提供されます。Windowsオペレーティング システムでは、 Windows APIを通じて動的読み込みが提供されます。

ライブラリのロードは、WindowsではLoadLibraryまたはを使用して、Unix 系オペレーティング システムでは を使用して実行されます。次に例を示します。 LoadLibraryExdlopen

void * sdl_library = dlopen ( "libSDL.so" , RTLD_LAZY ); if ( sdl_library == NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 結果を dlsym の呼び出しで使用}    
    
   
  
   

Unixライブラリとして:

void * sdl_library = dlopen ( "libSDL.dylib" , RTLD_LAZY ); if ( sdl_library == NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 結果を dlsym の呼び出しで使用}    
    
   
  
   

macOSフレームワークとして:

void * sdl_library = dlopen ( "/Library/Frameworks/SDL.framework/SDL" , RTLD_LAZY ); if ( sdl_library == NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 結果を dlsym の呼び出しで使用}    
    
   
  
   

または、フレームワークまたはバンドルに Objective-C コードが含まれている場合:

NSBundle * bundle = [ NSBundle bundleWithPath : @"/Library/Plugins/Plugin.bundle" ]; NSError * err = nil ; if ([ bundle loadAndReturnError :& err ]) { // バンドル内のクラスと関数を使用します。} else { // エラーを処理します。}    
   
  

    



    

HMODULE sdl_library = LoadLibrary ( TEXT ( "SDL.dll" )); if ( sdl_library == NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 結果を GetProcAddress の呼び出しで使用}   
    
   
  
   

動的にロードされたライブラリの内容の抽出は、WindowsGetProcAddressではを使用して、Unix系オペレーティング システムでは を使用して実現されます。 dlsym

void * initializer = dlsym ( sdl_library , "SDL_Init" ); if ( initializer == NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 初期化子を適切な型にキャストして使用}    
    
   
  
   

macOS では、Objective-C バンドルを使用する場合、次のことも可能です。

Class rootClass = [ bundle principalClass ]; // あるいは、NSClassFromString() を使用して、名前でクラスを取得することもできます。if ( rootClass ) { id object = [[ rootClass alloc ] init ]; // オブジェクトを使用します。} else { // エラーを報告します。}     
 

          



    

FARPROC初期化子= GetProcAddress ( sdl_library , "SDL_Init" ); if (初期化子== NULL ) { // エラーを報告 ... } else { // 初期化子を適切な型にキャストして使用}   
    
   
  
   

dlsym()またはの結果は、GetProcAddress()使用する前に適切な型のポインタに変換する必要があります。

Windows では、FARPROC は本質的にすでに関数ポインターであるため、変換は簡単です。

typedef INT_PTR ( * FARPROC )( void );  

これは、関数ではなくオブジェクトのアドレスを取得する場合に問題になる可能性があります。ただし、通常はとにかく関数を抽出したいので、通常は問題にはなりません。

typedef void ( * sdl_init_function_type )( void ); sdl_init_function_type init_func = ( sdl_init_function_type )初期化子;  
    

POSIX 仕様によれば、 の結果はポインターdlsym()ですvoid。ただし、関数ポインターはデータ オブジェクト ポインターと同じサイズである必要はなく、そのため、型void*と関数へのポインター間の有効な変換をすべてのプラットフォームで実装するのは簡単ではない可能性があります。

現在使用されているほとんどのシステムでは、関数ポインタとオブジェクト ポインタは事実上変換可能です。次のコード スニペットは、多くのシステムでとにかく変換​​を実行できるようにする 1 つの回避策を示しています。

typedef void ( * sdl_init_function_type )( void ); sdl_init_function_type init_func = ( sdl_init_function_type )初期化子;  
   

上記のスニペットは、一部のコンパイラでは警告を発します: warning: dereferencing type-punned pointer will break strict-aliasing rules。別の回避策は次のとおりです:

typedef void ( * sdl_init_function_type )( void ); union { sdl_init_function_type func ; void * obj ; } alias ; alias . obj = initializer ; sdl_init_function_type init_func = alias . func ;  
        
  
   

これにより、厳密なエイリアシングが有効な場合でも警告が無効になります。これは、最後に書き込まれたメンバーとは異なる共用体メンバーからの読み取り (「型パンニング」と呼ばれる) が一般的であり、厳密なエイリアシングが有効であっても、メモリが共用体型を介して直接アクセスされる場合は明示的に許可されるという事実を利用しています。^[7]ただし、関数ポインターは共用体の外部で使用するためにコピーされるため、厳密には当てはまりません。データ ポインターのサイズと関数ポインターのサイズが同じでないプラットフォームでは、このトリックが機能しない可能性があることに注意してください。

関数とデータ オブジェクト ポインター間の変換は (本質的に移植性のない) 実装拡張と見なす必要があり、この点で POSIX 標準と ISO 標準が互いに矛盾しているため、直接変換するための「正しい」方法は存在しないという事実は変わりません。

この問題のため、POSIXのdlsym()古い問題6のドキュメントには、「将来のバージョンでは、関数ポインタを返す新しい関数が追加されるか、現在のインターフェースが廃止され、代わりにデータポインタを返す関数と関数ポインタを返す関数の2つの新しい関数が導入される可能性がある」と記載されています。^[8]

標準のその後のバージョン（2008年第7版）では、この問題が議論され、void*POSIX準拠のために関数ポインターを に変換可能にする必要があるという結論に達しました。^[8]これにより、コンパイラメーカーは、この場合に機能するキャストを実装する必要があります。

ライブラリの内容を変更できる場合 (カスタム ライブラリの場合など)、関数自体に加えて、その関数へのポインターをエクスポートできます。関数ポインターへのポインターはそれ自体がオブジェクト ポインターであるため、このポインターは、呼び出しdlsym()とその後の変換によって常に合法的に取得できます。ただし、この方法では、外部で使用されるすべての関数への個別のポインターを維持する必要があり、通常、メリットは小さくなります。

ライブラリをロードするとメモリが割り当てられるため、メモリ リークを回避するにはライブラリの割り当てを解除する必要があります。また、ライブラリのアンロードに失敗すると、ライブラリを含むファイルに対するファイル システム操作ができなくなる可能性があります。ライブラリのアンロードは、 Windowsではを使用して、Unix 系オペレーティング システムでは を使用して実行されます。ただし、メイン アプリケーションのオブジェクトが DLL 内に割り当てられたメモリを参照する場合、DLL をアンロードするとプログラムがクラッシュする可能性があります。たとえば、DLL が新しいクラスを導入し、その DLL が閉じられている場合、メイン アプリケーションからそのクラスのインスタンスをさらに操作すると、メモリ アクセス違反が発生する可能性があります。同様に、DLL が動的にロードされたクラスをインスタンス化するためのファクトリ関数を導入する場合、DLL が閉じられた後にその関数を呼び出したり逆参照したりすると、未定義の動作が発生します。 FreeLibrarydlclose

dlclose ( sdl_library );

フリーライブラリ( sdl_library );

Unix 系オペレーティング システムおよびWindowsでの動的読み込みの実装により、プログラマーは現在実行中のプロセスからシンボルを抽出できます。

Unix のようなオペレーティング システムでは、プログラマーは、メインの実行可能ファイルとその後ロードされる動的ライブラリの両方を含むグローバル シンボル テーブルにアクセスできます。

Windows では、プログラマーはメインの実行可能ファイルによってエクスポートされたシンボルにアクセスできます。Windows はグローバル シンボル テーブルを使用せず、複数のモジュールを検索して名前でシンボルを見つける API もありません。

void * this_process = dlopen ( NULL 、0 );   

HMODULE this_process = GetModuleHandle ( NULL );   

HMODULE this_process_again ; GetModuleHandleEx ( 0 、0 、& this_process_again ); 

Java プログラミング言語では、オブジェクトを使用してクラスを動的にロードできますClassLoader。例:

クラスtype = ClassLoader.getSystemClassLoader () . loadClass ( name ) ;オブジェクトobj = type.newInstance ( ) ;   
   

リフレクション メカニズムは、クラスがまだロードされていない場合にクラスをロードする手段も提供します。現在のクラスのクラスローダーを使用します。

クラスtype = Class.forName ( name ) ;オブジェクトobj = type.newInstance ( ) ;​   
   

ただし、制御された方法でクラスをアンロードする簡単な方法はありません。ロードされたクラスは、制御された方法、つまりプログラマーが望む方法でのみアンロードできます。つまり、クラスのロードに使用されたクラスローダーがシステム クラス ローダーではなく、それ自体がアンロードされている場合です。これを行うときは、クラスが本当にアンロードされていることを確認するために、さまざまな詳細を観察する必要があります。これにより、クラスのアンロードが面倒になります。

暗黙的なクラスのアンロード、つまりガベージ コレクターによる制御されないアンロードは、Java で何度か変更されています。Java 1.2 までは、ガベージ コレクターは、クラスをロードするためにどのクラス ローダーが使用されたかに関係なく、スペースが必要だと感じたときにいつでもクラスをアンロードできました。Java 1.2 以降では、システム クラス ローダーによってロードされたクラスはアンロードされず、他のクラス ローダーによってロードされたクラスは、他のクラス ローダーがアンロードされた場合にのみアンロードされました。Java 6 以降では、クラスに内部マーカーを含めることができます。これは、ガベージ コレクターが望む場合にクラスをアンロードできることをガベージ コレクターに示します。これは、クラスのロードに使用されたクラス ローダーとは関係ありません。ガベージ コレクターはこのヒントを無視できます。

同様に、ネイティブ メソッドを実装するライブラリは、 メソッドを使用して動的にロードされますSystem.loadLibrary。 メソッドはありませんSystem.unloadLibrary。

1980年代にUnixやWindowsを通じて普及したにもかかわらず、一部のシステムでは依然として動的ロードを追加しない、あるいは削除することさえ選択しています。たとえば、ベル研究所のPlan 9とその後継の9frontは、動的リンクを「有害」と見なして意図的に避けています。^{[9] Plan 9と同じ開発者による}Goプログラミング言語も動的リンクをサポートしていませんでしたが、プラグインのロードはGo 1.8（2017年2月）から利用できます。Goランタイムとライブラリ関数は、コンパイルされたバイナリに静的にリンクされています。^[10]

• Silberschatz, Abraham; Galvin, Peter Baer; Gagne, Greg (2005)。「第 8.1.4 章「動的ロード」および第 8.1.5 章「動的リンクと共有ライブラリ」」「オペレーティングシステムの概念」J. Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-69466-3。

• 一般的なリンク
  • Linux4U での動的ロード
  • Apacheによる動的共有オブジェクト (DSO) のサポート
  • C++ 動的リンクの例
  • 動的ライブラリの読み込み例 (完全だが簡潔な動作例)
  • Apple Developer Connection の動的ライブラリ プログラミング トピック (macOS 向け)
• C/C++ Unix API:
  • dlopen
  • dlsym
  • 閉じる
• C/C++ Windows API:
  • ライブラリの読み込み
  • プロセスアドレスの取得
  • 無料ライブラリ
  • 遅延ロードDLL
• Java API:
  • クラスローダー
  • クラス