Bài 39.426 phút đọc

Tĩnh hay động: sáu tiêu chí

Sau bài này bạn sẽ làm được

So sánh hai cách liên kết trên sáu tiêu chí
Đo kích thước tệp nhị phân ở cả hai cách
Chứng minh sửa thư viện mà không dịch lại chương trình
Chọn đúng cách liên kết cho một tình huống cụ thể

Không có câu trả lời đúng cho mọi trường hợp. Có sáu tiêu chí, và tùy bạn đang làm phần mềm cho ai mà tiêu chí nào nặng hơn. Bài này đo từng cái chứ không nói chung chung.

#Sáu tiêu chí

Tiêu chí	Tĩnh	Động	Chênh lệch thực tế
Kích thước tệp nhị phân	Lớn	Nhỏ	Trên Linux, hello world tĩnh với glibc khoảng 800 KB, động khoảng 16 KB
Bộ nhớ khi chạy nhiều tiến trình	Mỗi tiến trình một bản	Dùng chung một bản	Với 100 tiến trình và thư viện 5 MB: 500 MB so với 5 MB
Vá lỗi thư viện	Phải dịch lại chương trình	Thay tệp là xong	Đây là lý do các bản phân phối Linux chọn động
Tốc độ khởi động	Nhanh	Chậm hơn	Vài trăm micro giây tới vài mili giây, tùy số thư viện
Triển khai	Một tệp duy nhất	Phải mang theo thư viện	Đây là lý do Go và Rust mặc định liên kết tĩnh
Rủi ro	Gần như không	Thiếu tệp, lệch phiên bản, xung đột	Cụm từ dành cho việc này là DLL hell

terminal

# Đo trên MinGW, thư viện nhỏ nên chênh lệch nhỏ

ls -l app.exe app_dyn.exe | awk '{print $5, $9}'

55769 app.exe
55184 app_dyn.exe

Con số này KHÔNG minh họa được điều gì, và đó là bài học

/* Chenh lech chi 585 byte, vi:

     1. Thu vien mathlib chi co bon ham, tong vai tram byte
     2. Tren Windows, msvcrt LUON la mot DLL. "Lien ket tinh" o day
        chi ap dung cho libmath, khong ap dung cho thu vien C.

   Nen so lieu "16 KB so voi 900 KB" ma ban hay doc la so lieu
   cua LINUX voi GLIBC, khi -static keo ca thu vien C vao.

   Bai hoc: dung tin mot con so ma khong biet no do cai gi.
   Do lai tren chinh moi truong cua ban. */

# Do dung tren Linux:

$ cat hello.c
#include <stdio.h>
int main(void) { puts("chao"); return 0; }

$ gcc hello.c -o hello_dong
$ gcc hello.c -static -o hello_tinh
$ ls -l hello_dong hello_tinh
-rwxr-xr-x 1 a a   16696 hello_dong
-rwxr-xr-x 1 a a  899792 hello_tinh

$ ldd hello_dong
	linux-vdso.so.1
	libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2

$ ldd hello_tinh
	not a dynamic executable

#Vá lỗi mà không dịch lại

Đây là ưu điểm quan trọng nhất của thư viện động, và nó dễ chứng minh nhất. Sửa một hằng số trong thư viện, dịch lại chỉ thư viện, rồi chạy lại chương trình cũ.

Trước khi sửa

/* include/mathlib.h */
#define PI 3.14159

/* src/hinhhoc.c */
double dt_hinh_tron(double r) { return PI * r * r; }

terminal

PATH="$PWD/build:$PATH" ./app_dyn.exe

dt(2)  = 12.56636
cv(2)  = 12.56636
5!     = 120

terminal

# Sửa PI thành 3.14159265358979, dịch lại CHỈ thư viện

gcc -fPIC -c -Iinclude src/*.c && gcc -shared *.o -o build/libmath.dll -Wl,--out-implib,build/libmath.dll.a

# Chạy lại chương trình CŨ, không dịch lại app

PATH="$PWD/build:$PATH" ./app_dyn.exe

dt(2)  = 12.56637
cv(2)  = 12.56637
5!     = 120

Nhưng nó chỉ đúng khi PI nằm TRONG thư viện

/* Trong vi du tren, PI duoc dung ben trong ham dt_hinh_tron,
   tuc no bien thanh mot hang so trong ma cua libmath.
   Sua thu vien -> sua ma do -> ket qua doi. Dung.

   Nhung neu main.c cung dung PI: */

/* main.c */
#include "mathlib.h"
printf("chu vi = %f\n", 2 * PI * r);      /* PI bung ra TRONG main.o */

/* Luc do sua PI trong header va dich lai chi thu vien thi
   dong nay VAN dung gia tri cu. Chuong trinh chay voi HAI gia tri PI
   khac nhau cung luc.

   Do la mot dang PHA VO ABI ma it ai nghi toi:
   moi macro hang so trong header cong khai deu bi dong bang
   vao ma cua nguoi dung. Bai 39.7 se noi ky.

   Cach chua: neu mot gia tri co the doi, dua no thanh HAM: */

double ml_pi(void);           /* trong thu vien, doi duoc */

#Bộ nhớ dùng chung

Vì sao một bản dùng chung được

/* Mot tep .so co ba phan chinh:

     .text    ma may       -> CHI DOC, dung chung duoc
     .rodata  hang so      -> CHI DOC, dung chung duoc
     .data    bien co gia tri ban dau -> moi tien trinh mot ban rieng
     .bss     bien bang 0  -> moi tien trinh mot ban rieng

   Trinh nap anh xa .text va .rodata theo kieu CHIA SE: mot khung
   trang vat ly duy nhat, nhieu tien trinh cung tro toi.

   .data thi anh xa theo kieu SAO CHEP KHI GHI: dung chung cho toi khi
   mot tien trinh ghi vao, luc do he dieu hanh moi tach ra ban rieng.

   Ket qua: voi thu vien 5 MB ma chi co 100 KB du lieu, 100 tien trinh
   ton khoang 5 MB + 100 * 100 KB = 15 MB, thay vi 500 MB. */

# Do bo nho that su dung, khong phai bo nho ao

$ cat /proc/$(pidof app)/smaps_rollup
Rss:              8452 kB      # tong bo nho vat ly dang chiem
Pss:              3120 kB      # phan chia deu bo nho dung chung  <- SO NAY
Shared_Clean:     6200 kB      # dung chung, chua ai ghi
Private_Dirty:    1800 kB      # rieng cua tien trinh nay

# Pss la con so dung de cong lai khi co nhieu tien trinh:
#   Rss cong lai se dem trung phan dung chung nhieu lan
#   Pss cong lai cho ra dung tong bo nho vat ly

$ ps -o pid,rss,cmd -C app     # cach nhanh nhung khong chinh xac
$ smem -k -c "pid pss rss cmd" # cong cu doc Pss cho de

Nhưng chỉ khi các tiến trình dùng ĐÚNG cùng một tệp

/* Neu hai chuong trinh moi cai mang mot ban libssl rieng trong
   thu muc cua no, thi he dieu hanh KHONG dung chung duoc, vi
   do la hai tep khac nhau tren dia.

   Nen mo hinh "moi ung dung mot thu muc, mang theo .so cua minh"
   mat het uu the bo nho, va chi giu lai uu the "va thu vien
   khong phai dich lai ung dung".

   Muon dung chung that su thi phai dung thu vien CUA HE THONG,
   va do la mo hinh cua cac ban phan phoi Linux. */

#Tốc độ khởi động

# Do thoi gian nap va lien ket luc chay
$ LD_DEBUG=statistics ./app
     total startup time in dynamic loader: 1234567 cycles
       time needed for relocation: 456789 cycles (37.0%)
       time needed to load objects: 654321 cycles (52.9%)

# So sanh trong thuc te
$ hyperfine './hello_tinh' './hello_dong'
Benchmark 1: ./hello_tinh
  Time (mean):     0.4 ms
Benchmark 2: ./hello_dong
  Time (mean):     0.9 ms

# Voi mot chuong trinh nho thi chenh lech duoi mot mili giay.
# Voi chuong trinh nap 200 thu vien thi co the toi vai chuc mili giay.

#Chọn thế nào

Tình huống	Nên chọn	Vì sao
Công cụ dòng lệnh phát hành cho người dùng cuối	Tĩnh	Một tệp, chép đi đâu cũng chạy
Gói phần mềm trong kho của bản phân phối Linux	Động	Bản phân phối vá thư viện chung cho mọi gói
Thư viện hệ thống dùng bởi nhiều chương trình	Động	Tiết kiệm bộ nhớ, vá lỗi tập trung
Phần mềm nhúng	Tĩnh	Không có trình nạp động, và cần kiểm soát chính xác từng byte
Chương trình cần hệ thống plugin	Động	Bắt buộc, vì phải nạp lúc chạy
Vùng chứa container tối thiểu	Tĩnh	Ảnh nhỏ hơn, không cần lớp hệ điều hành cơ sở
Thư viện bạn phát hành cho người khác dùng	Cả hai	Người dùng chọn, và đó là việc của Bài 39.12

Xu hướng hiện nay chia làm hai hướng rõ rệt

/* Huong mot: TINH HOAN TOAN

     Go, Rust mac dinh lien ket tinh.
     Docker voi anh "scratch" chi chua mot tep nhi phan tinh.
     Ly do: trien khai don gian, khong co van de "chay tren may toi".

   Huong hai: DONG TRIET DE

     Cac ban phan phoi Linux, va he sinh thai goi cua chung.
     Ly do: mot lo hong trong zlib duoc va o mot cho, moi goi
     tren may duoc va theo.

   Ca hai deu dung, cho hai bai toan khac nhau:
     - ban kiem soat viec phat hanh  -> tinh
     - nguoi khac kiem soat, va ban chi la mot goi trong he thong -> dong */

Một cách dung hòa hay dùng

# Lien ket TINH voi thu vien cua ban va cac thu vien it pho bien.
# Lien ket DONG voi libc va cac thu vien he thong.

gcc main.c \
    build/libmath.a \
    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libpng.a \
    -lz -lm -o app

# Hoac dieu khien theo tung thu vien:
gcc main.c -Wl,-Bstatic -lmath -lpng -Wl,-Bdynamic -lz -lm -o app

#   -Bstatic   tu day tro di, uu tien .a
#   -Bdynamic  tu day tro di, uu tien .so
#
# Ket qua: tep nhi phan tu du ve phan rieng, nhung van dung
# libc cua he thong nen van duoc va theo he thong.

Tự làm thử

Dịch hello.c ở hai dạng trên Linux và so kích thước.
Sửa một hằng số trong thư viện, dịch lại chỉ thư viện, chạy lại chương trình cũ.
Đưa hằng số đó vào main.c rồi lặp lại, và giải thích vì sao kết quả khác.
Chạy một trăm tiến trình cùng chương trình và đo Pss.
Đo thời gian khởi động ở cả hai dạng bằng hyperfine.
Dùng -Bstatic và -Bdynamic để liên kết hỗn hợp.

Trình chấm điểm tự động sẽ được bổ sung ở giai đoạn sau. Hiện tại bạn tự chạy thử trên máy.

Tóm tắt

Sáu tiêu chí: kích thước, bộ nhớ dùng chung, vá lỗi, khởi động, triển khai, rủi ro.
Sửa thư viện rồi chạy lại chương trình cũ: kết quả đổi từ 12.56636 thành 12.56637 mà không dịch lại chương trình.
Nhưng macro hằng số trong header công khai bị đóng băng vào mã người dùng, nên chúng không vá được kiểu đó.
Bộ nhớ chỉ dùng chung khi các tiến trình nạp đúng cùng một tệp trên đĩa.
Không có lựa chọn đúng chung: Go và Rust chọn tĩnh, các bản phân phối Linux chọn động, và cả hai đều có lý do vững.