Linux中的靜態庫和動態庫

首先我們要明白什么是庫?

庫（Library）是一組預編譯的代碼，提供特定的功能，可以被多個程序共享調用，避免重復編寫代碼。在鏈接步驟中，鏈接器將從庫文件取得所需的代碼，復制到生成的可執行文件中

Linux 中常見的庫文件有兩種，一種.a為后綴，為靜態庫，另一種以.so為后綴，為動態庫。
靜態庫：在程序編譯時，將庫的代碼“拷貝”到最終的可執行文件中；
動態庫（共享庫）：在程序運行時，動態載入庫的代碼，多個程序可以共享同一份庫文件。

靜態庫

靜態庫通常以.a為后綴（在Linux下），是多個目標文件（.o）組成的歸檔文件（Archive），里面存儲著一組目標文件。

特點

在鏈接（Linking）的時候被合并到可執行文件中
可執行文件較大，因為庫的代碼已經復制到程序中
加載快，無需在運行時再載入庫文件
無需在運行環境中存在庫文件，便于部署

作用

方便將多個目標文件打包成一個完整的可執行程序
使用簡單，不依賴外部共享庫

創建靜態庫

# 先編譯源文件生成目標文件
gcc -c file1.c -o file1.o
gcc -c file2.c -o file2.o# 將目標文件打包為靜態庫
ar rcs libmylib.a file1.o file2.o# 編譯時鏈接靜態庫
gcc main.o -L. -lmylib -o myprogram

使用靜態庫

在編譯時指定庫路徑和庫名（-L和-l參數）
- l：指定庫名（庫的文件名為 libxxx.a，庫名為 xxx）
- L：指定庫路徑
- static：使用靜態鏈接

gcc -static main.c -o main -l math -L ./
// 錯誤：gcc -l math -static main.c -o main -L ./

特別注意，必須把 -l math 放在后面。放在最后時它是這樣的一個解析過程：

鏈接器從左往右掃描可重定位目標文件和靜態庫
掃描 main.c 時，發現兩個未解析的符號 add 和 sub，記住這兩個未解析的符號
掃描 libmath.a，找到了前面未解析的符號，因此提取相關代碼
最終沒有任何未解析的符號，編譯鏈接完成
那如果將 -l math 放在前面，又是怎樣的情況呢？
鏈接器從左往右掃描可重定位目標文件和靜態庫
掃描 libmath.a，由于前面沒有任何未解析的符號，因此不會提取任何代碼
掃描 main.c，發現未解析的符號 add 和 sub
掃描結束，還有兩個未解析的符號，因此編譯鏈接報錯
如果把-l math放在前面，編譯結果如下：

在這里插入圖片描述

我們看看最終生成的文件大小：
在這里插入圖片描述
生成可執行文件大小為892k
由于最終生成的可執行文件中已經包含了add和sub相關的二進制代碼，因此這個可執行文件在一個沒有libmath.a的Linux系統中也能正常運行。

動態庫

動態庫和靜態庫類似，但是它并不在鏈接時將需要的二進制代碼都“拷貝”到可執行文件中，而是僅僅“拷貝”一些重定位和符號表信息，這些信息可以在程序運行時完成真正的鏈接過程。Linux 中這類庫的名字一般是 libxxx.so。(shared object)

符號表

符號表記錄了函數和變量的名字、地址等信息，是連接器、加載器用來解決引用關系的重要數據結構。
在動態庫中，符號表包括：
- 導出符號：庫中提供給外部調用的函數和變量
- 需要被其他程序或庫引用的符號

重定位信息

重定位是指在程序或庫加載到內存后，動態調整代碼中的地址引用，使得符號指向正確的內存地址。
重定位信息記錄了哪些位置需要修正（如函數調用、全局變量訪問位置）
在靜態鏈接中，重定位在鏈接階段完成；在動態鏈接中，加載時由系統完成。

定義：

動態庫也稱“共享庫”，以.so（Shared Object）為后綴
在程序運行時動態載入，多個程序可以共享同一份庫文件

特點

在程序加載時才載入庫（動態鏈接）
可減小可執行文件大小，因為庫在運行時加載
便于維護和升級，只需替換庫文件，無需重新編譯所有程序
運行時依賴，程序必須找到對應的.so文件

作用

方便庫的共享和維護
可以實現插件式開發或模塊化設計

創建動態庫

# 編譯生成共享庫
gcc -fPIC -c file1.c -o file1.o
gcc -fPIC -c file2.c -o file2.o
gcc -shared -o libmylib.so file1.o file2.o# 編譯程序鏈接動態庫
gcc main.o -L. -lmylib -o myprogram

注意：

-fPIC：生成位置無關代碼（Position Independent Code）
-shared：生成共享庫

使用動態庫

步驟	命令示例	說明
1. 創建共享庫	`gcc -fPIC -c mylib.c -o mylib.o` `gcc -shared -o libmylib.so mylib.o`	生成`.so`文件
2. 編譯調用程序	`gcc main.c -L. -lmylib`	連接到共享庫
3. 設置環境變量或放庫到系統路徑	`export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH` `sudo cp libmylib.so /usr/lib/`	讓運行時找到共享庫
4. 運行程序	`./myprogram`	運行程序，調用共享庫中的函數

找不到的原因

原因類別	描述	解決措施
庫路徑未在標準路徑或未指定	庫文件所在路徑未加入系統路徑或未在運行時指定	設置`LD_LIBRARY_PATH`或`rpath`
缺少`ldconfig`刷新緩存	添加新庫后未刷新系統緩存	運行`ldconfig`
編譯參數不正確	編譯時未設置`-rpath`或路徑錯誤	使用`-Wl,-rpath`指定路徑
依賴缺失	庫依賴的其他庫不存在或路徑錯誤	用`ldd`檢測，安裝缺失的庫
權限不足	庫文件權限限制	修改文件權限

主要原因是系統在運行時無法定位到庫文件的存放路徑，可能因為庫路徑沒有配置正確、庫文件放錯位置、未刷新緩存或依賴缺失等。

當在運行程序時，動態庫（.so文件）找不到，系統會報錯，導致程序無法正常啟動。這種情況常見的錯誤信息有：

error while loading shared libraries: libmylib.so: cannot open shared object file: No such file or directory

動態庫找不到時的解決辦法

1.臨時設置環境變量LD_LIBRARY_PATH

這是一種快速方便的方式，臨時告訴系統去哪里找共享庫。

export LD_LIBRARY_PATH=.:/path/to/lib:$LD_LIBRARY_PATH
./your_program

示例：假設libmylib.so在當前目錄：

export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
./your_program

缺點：此設置只在當前終端有效，關閉終端后失效。

2.將共享庫拷貝到系統標準目錄

將你的共享庫復制到系統的庫目錄（如/usr/lib或/usr/local/lib），然后刷新緩存。

sudo cp libmylib.so /usr/lib/
sudo ldconfig

說明：

ldconfig命令會刷新系統的庫緩存，讓系統知道新加入的庫。

注意：需要管理員權限。

3.修改程序的RPATH或RUNPATH（在編譯時指定）

在編譯時，將庫的路徑提前嵌入到可執行文件中，使其在運行時自動查找。

例：

gcc main.c -L/path/to/lib -Wl,-rpath=/path/to/lib -lmylib -o myprogram

-Wl,-rpath=路徑：在可執行文件中指定庫搜索路徑

執行后，無需設置LD_LIBRARY_PATH，系統會自動在指定路徑查找庫。

4.使用LD_LIBRARY_PATH環境變量文件（配置全局）

編輯/etc/ld.so.conf或在/etc/ld.so.conf.d/目錄中添加自定義路徑，然后運行

sudo ldconfig

這樣，系統會在指定路徑中查找庫。

5. 動態調試：使用ldd命令檢測缺失的依賴庫

運行:

ldd ./your_program

可以顯示程序依賴的所有共享庫，查看是否有“not found”的庫。

如果發現缺失的庫，可以用上面的方法解決。

小結

方法	作用	適用場景
`LD_LIBRARY_PATH`	臨時指定庫路徑	調試或快速測試
拷貝到系統目錄	將庫放到標準路徑，系統自動加載	部署時，保證程序可以找到庫
RPATH/RUNPATH	在編譯時嵌入路徑	內部控制，避免環境變量設置
`ldconfig`配置	全系統范圍配置庫搜索路徑	長期維護或系統級別的配置
`ldd`命令檢測依賴	查看依賴關系，找出缺失的庫	調試、排錯

靜態庫與動態庫的區別

特性	靜態庫（`.a`）	動態庫（`.so`）
鏈接時間	編譯時（靜態鏈接）	運行時（動態鏈接）
生成文件大小	較大（所用到代碼要從二進制文件中拷貝一份，復制到可執行文件中）	較小（庫文件單獨存在，僅僅復制了一些重定位和符號表信息）
占用空間	運行時每個程序都持有一份庫的副本	多個程序共享同一份庫（內存節省）
升級維護	需要重新編譯程序	只需替換庫文件，無需重新編譯
依賴關系	不需要庫文件存在于運行環境中	需要庫文件存在于運行環境中
運行速度	略快（沒有動態加載耗時）	因為需要動態加載，可能略慢