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Linux C Library (libc) について
佐野武俊 / Taketoshi Sano, (kgh12351@nifty.ne.jp)
$Date: 1999/05/20 11:27:05 $, ($Revision: 1.11 $)
Linux C Library (libc) の概要について、その役割と歴史などを簡単にまと
めたものです。内容および文書の構成についての御意見をお待ちしておりま
す。
1. 「ライブラリ」とは
まずは JF にある GCC-HOWTO (v1.17/Daniel Barlow 氏, 翻訳は v1.17j2/中
野さん) の中から、関連する文章を引用します。
6.1. 共有ライブラリと static なライブラリ
プログラム作成の最終段階は「リンク」と呼ばれます。全ての部品を
結合して、足りないものがないかどうか調べる作業です。
「ファイルを開く」といったような類の作業は、多くのプログラムで
行われます。したがってこのような機能を持つ「部品」はライブラリ
の形で提供されています。普通の Linux システムでは、ライブラリは
/lib と /usr/lib にあります（他の場所にあることもままありますが）。
つまり「ライブラリ」とは、上記の引用文で説明されているように
多くのプログラムで共通して使われるような、汎用的な『部品』と
して使われるコードを集めたもの
です。 UNIX 上でのソフトウェア開発は歴史上 C 言語で行なわれることが多
かったため、 (基本的なコマンドやライブラリ自身の開発は、いくつかの例外
を除いてほとんど C 言語によっています) 「最も基本的な部品」を集めたラ
イブラリの名前は "libc" と付けられています。
例えばファイルを開くための関数である fopen(3) とか、標準出力に文字を表
示するための関数である printf(3) などが "libc" ライブラリに含まれてい
ます。
2. 共有ライブラリ
再び、 JF の GCC-HOWTO から引用します。
static なライブラリを用いる場合は、リンカはプログラムが必要と
する部品を探し、出力する実行ファイルにその部品をコピーします。
共有ライブラリの場合は違った作業が行われます。
リンカは出力ファイルに「このプログラムが実行されるときには、
まずこれこれのライブラリがロードされていないといけませんよ」と
いったメッセージを埋め込みます。したがって明らかに共有ライブラリを
用いる方が実行ファイルのサイズは小さくなります。
また消費するメモリやディスク容量も小さくなります。 Linux における
デフォルトの振る舞いでは、共有ライブラリがあればそちらを用い、
なければ static なリンクを行います。実行ファイルを共有ライブラリ
形式にしたいのに static になってしまった場合は、正しい位置に
共有ライブラリのファイルがあって（a.outでは *.sa、 ELF では *.so です）、
それらが読み込み可能になっているかどうかをチェックしてください。
「共有ライブラリ」は、そのライブラリを使うプログラムすべてによって「共
有」 (あるいは共用、原文では shared) されるものです。
リンク (実行形式作成) 時に「static」なライブラリを使用した場合は各実行
形式ファイルの内部にそのライブラリからコピーされたコードが保存されるた
め、実際に動作する時はそれぞれのコードが独立にメモリーへ読み込まれま
す。同じライブラリを使うプログラムを複数起動すると、まったく同じコード
の部分もすべて独立にメモリーへ読み込まれるため、メモリーの使用量は起動
した数にほぼ比例して増えます。
一方「共有ライブラリ」を使用した場合、各実行形式ファイルの内部には
「メッセージ」だけが保存されており、起動された時にそのプログラムの実行
に必要な共有ライブラリがメモリー上に無ければ読み込まれますが、同じライ
ブラリを使う他のプログラムによって既に読み込まれていれば、新たにメモリ
ーへ読み込まれるのはそのプログラム固有のコードだけとなり、メモリー使用
量がずっと少なくてすみます。
libc5 環境では、通常のコマンド (/bin/sh, /bin/cp, /bin/ls など) が動作
時に使用する "libc" の実体は "/lib/libc.so.5.4.33" などのように
"libc.so.5.x.y" という形式の名前が付けられたファイルです。
このファイルには "/lib/libc.so.5" という名前のリンクが付随しており、各
プログラムは動作時にこのリンクファイルを手がかりとして実体である
/lib/libc.so.5.x.y にアクセスします。
一方プログラムの make 時にはリンカ (ld) はまず /usr/lib/libc.so にアク
セスします。このファイルは libc5 環境では /lib/libc.so.5 へのリンクに
なっており、このリンク先のファイルから得られる情報が動作時に共有ライブ
ラリを探すための「手がかり (上記の「メッセージ」)」として各実行形式
ファイルの内部に埋め込まれます。これについて詳細を知りたい方は、 JF の
GCC-HOWTO を "soname"というキーワードで検索してみてください。
libc6 (glibc2) 環境ではちょっと話が違っていて、 "/usr/lib/libc.so" は
以下のような ld のスクリプトになっています。
/* GNU ld script Use the shared library, but some functions
are only in the static library, so try that secondarily. */
GROUP ( /lib/libc.so.6 /usr/lib/libc_nonshared.a )
しかし、リンカ (ld) が共有ライブラリを探すためにまずこのファイル
(/usr/lib/libc.so) を見るという点は libc5 の場合と同じです。違うのは、
動作時の共有ライブラリとして探しにいくべきファイルがリンクによって示さ
れているのではなく /lib/libc.so.6 という名前で示されている、という点で
すね。
なお、libc6 (glibc2) 環境でも、libc 以外の、例えば算術演算ライブラリの
含まれている libm などでは /usr/lib/libm.so から /lib/libm.so へのリン
クが張られています。
ちなみに、上記の引用文中にある "a.out" や "ELF" などは「共有ライブラ
リ」の構造 (種類) を示す用語です。最近の Linux システムならすべて
"ELF" だと思っておけば良いでしょう。
ELF についての詳細は JF の ELF-HOWTO を読んで下さい。
3. Linux C Library : コードの起源
さて、 "libc" が「多くのプログラムで共通して使われるような、汎用的な
『部品』として使われるコードを集めた」ライブラリの中でも、「最も基本的
な部品」を集めたライブラリであることを覚えておいて下さい。
そして、ここで「 Linux とはカーネルのことである」ということを思い出し
て下さい。
"Linux システム" で使用されている「ライブラリ」の開発は、 Linux カーネ
ルの開発とは独立しています。
Debian 1.3.1 (bo) の /usr/doc/libc5/copyright というファイルによれば
This is the Debian GNU/Linux prepackaged version of the
Linux C library. The Linux C library was adapted from,
apparently, the GNU C library version 1.07.4, with additions
from 4.4BSD. Please see the file `glibc' in the source dis-
tribution for complete details. Note that glibc 2.* uses a
mostly rewritten library which will be used as libc6 on
Linux.
これは Debian GNU/Linux によってパッケージ化された Linux C
ライブラリです。 Linux C ライブラリは、バージョン 1.07.4 の
GNU C ライブラリをベースに、 4.4BSD からいくつかの機能を追加
して作成されました。詳細についてはソース配布物中の "glibc"
という名前のファイルを参照して下さい。
また glibc 2.* はほとんど完全に書き直されたライブラリであ
り、これは Linux システム上で libc6 として使われるはずのもの
である、ということに注意して下さい。
と書かれています。つまり、 Linux の "libc" (C library) は GNU の libc
1.07.4 をベースに、 4.4BSD からの拡張機能を加えて開発されてきたもの、
ということです。
3.1. Linux C Library : libc5 (ELF)
数年前、共有ライブラリの形式が "a.out" から "ELF" へと移行した頃は、
Linux 用 "libc" のバージョンが 4 から 5 へ移行した時期でもありました。
ためしに、 "file /lib/libc.so.?.*" を実行してみて下さい。私のシステム
(Debian 1.3.1) では
/lib/libc.so.4.6.27: \\
Linux/i386 demand-paged executable (QMAGIC), stripped
/lib/libc.so.5.4.33: \\
ELF 32-bit LSB shared object, Intel 386, version 1, stripped
が表示されます。
"Linux/i386 demand-paged executable (QMAGIC)" はこの共有ライブラリが
"a.out" 形式であることを、また "ELF 32-bit LSB shared object, Intel
386, version 1," はこの共有ライブラリが "ELF" 形式であることを示しま
す。
JF の GCC-HOWTO には「 6.4.3.1. ZMAGIC と QMAGIC」という節
があります。 QMAGIC 以前は ZMAGIC という "a.out" 形式が使わ
れていたようです。つまり "a.out" 形式にはいくつかの種類があ
るのです。
3.2. Linux C Library : libc6 (glibc2)
さて、 Linux C ライブラリのバージョン 5 "libc5" までは上記のように GNU
libc 1 系統をベースに開発が進められてきましたが、この "libc5" 系統はす
でに新機能に関する開発が終了しています。
現在開発されているバージョンは GNU libc 2.x (Linux libc 6) です。これ
が "Linux libc6" ではなく、 "glibc2" と呼ばれることが多い理由は、従来
Linux C Library が libc5 までは GNU libc を起源に持ってはいても、それ
に大幅な変更を加えた「別物」になっていたことに比べ、新しい libc6 が
「GNU libc 2 そのもの」であるということによります。
以下、 JF の Glibc 2 HOWTO (v1.5/Erig Green 氏、翻訳は岡本さん、遠藤さ
ん) より一部引用します。
1.1. glibc2について
Glibc2 は GNU C ライブラリの最新版です。現在、変更なしで動作するのは、
GNU Hurd システムと Linux i386, m68k, alpha システムです。PowerPC,
MIPS, Sparc, Sparc 64, Arm 用の Linux 向けには 2.1 版で対応の予定です。
将来的には、ほかのアーキテクチャーとオペレーティングシステム用にも
順次対応の予定です。
Linux では, glibc2 は Linux libc 5 の後継、つまりlibc バージョン6 として
用いられます。Linux libc 開発者たちは libc5 を (glibc2 で) 置き換えて
しまおうとしています。 2.0.6 の段階で、 glibc は十分な品質を持つと
見なされています。バージョン 2.1 (近い将来発表予定) は、より多くの
機種へ移植され、新しい機能も追加されて、中心的に用いられるように
なるでしょう。
以前、 GNU Bulletin で見たのですが、例えば
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