靜態庫和動態庫

1、編譯過程

1.預處理：解釋并展開源程序當中的所有的預處理指令，此時生成 *.i 文件。
2.編譯：詞法和語法的分析，生成對應硬件平臺的匯編語言文件，此時生成 *.s 文件。
3.匯編：將匯編語言文件翻譯為對應處理器的二進制機器碼，此時生成 *.o 文件。
4.鏈接：將多個 *.o 文件合并成一個不帶后綴的可執行文件。

gec@ubuntu:~$ gcc hello.c -o hello.i -E
gec@ubuntu:~$ gcc hello.i -o hello.s -S
gec@ubuntu:~$ gcc hello.s -o hello.o -c
gec@ubuntu:~$ gcc hello.o -o hello -lcgcc hello.c  -o  hello

2.ELF格式

2.1概述

對于上述編譯過程，重點關注最后一步庫文件的鏈接（gcc hello.o -o hello -lc）：鏈接實際上是將多個.o文件合并在一起的過程。這些 *.o 文件合并前是 ELF 格式，合并后也是 ELF 格式。
ELF全稱是 Executable and Linkable Format，即可執行可鏈接格式。ELF文件由多個不同的段（section）組成，如下圖所示：
在這里插入圖片描述
ELF格式的合并，實際上就是將多個文件中各自對應的段合并在一起，形成一個統一的ELF文件。在此過程中，必然需要對各個 *.o 文件中的靜態數據（包括常量）、函數入口的地址做統一分配和管理，這個過程就叫做重定位，因此未經鏈接的單獨的 *.o 文件又被稱為可重定位文件，經過鏈接處理合并了相同的段的文件稱為可執行文件。
庫的本意是library圖書館，庫文件就是一個由很多 *.o 文件堆積起來的集合。

2.2 相關命令

(1) readelf 可以用來查看 ELF 格式文件的具體細節：

# 查看文件格式頭部信息
gec@ubuntu:~$ readelf -h a.out# 查看各個section信息
gec@ubuntu:~$ readelf -S a.out# 查看符號表
gec@ubuntu:~$ readelf -s a.out

3.庫文件

3.1概述

庫的本意是library圖書館，庫文件就是一個由很多 *.o 文件堆積起來的集合。本質上來說庫是一種可執行代碼的二進制形式，這個文件可以在編譯時由編譯器直接鏈接到可執行程序中，也可以在運行時由操作系統的runtime enviroment根據需要動態加載到內存中。

3.2分類

庫文件分為兩類：靜態庫和動態庫。如：

win32平臺下，靜態庫通常后綴為.lib，動態庫為.dll ；
linux平臺下，靜態庫通常后綴為.a，動態庫為.so 。靜態庫：libx.a
動態庫：liby.so

庫文件的名稱遵循這樣的規范：
lib庫名.后綴
其中，lib是任何庫文件都必須有的前綴，庫名就是庫文件真正的名稱，比如上述例子中兩個庫文件分別叫x和y，在鏈接它們的時候寫成 -lx 和 -ly ，后綴根據靜態庫和動態庫，可以是 .a 或者 .so：

靜態庫的后綴：.a （archive，意即檔案）
動態庫的后綴：.so （share object，意即共享對象）
注意：不管是靜態庫，還是動態庫，都是可重定位文件 *.o 的集合。

3.3目的

模塊化：庫文件將功能模塊化，使得程序結構更加清晰，易于管理和維護。
簡化部署：使用庫文件可以簡化軟件的部署過程，因為它們可以在不同的程序之間共享，而不需要重復包含相同的代碼。
動態鏈接：動態庫文件允許在程序運行時才鏈接，這樣可以在不重新編譯程序的情況下更新庫，提供了更大的靈活性。
減少內存占用：使用動態庫時，由于多個程序可以共享同一份庫文件，因此可以減少每個程序的內存占用。
易于更新和維護：庫文件的更新只需要替換原有文件，而不需要重新編譯使用該庫的所有程序，簡化了維護工作。
跨平臺兼容性：庫文件可以被設計為跨平臺使用，增加了軟件的可移植性。
總的來說，庫文件的使用是為了提高軟件開發的效率、靈活性和可維護性，同時減少資源的重復占用。

4、靜態庫

1所謂靜態庫，就是在靜態編譯時由編譯器到指定目錄尋找并且進行鏈接，一旦鏈接完成，最終的可執行程序中就包含了該庫文件中的所有有用信息，包括代碼段、數據段等。
靜態鏈接庫在程序編譯時會被鏈接到目標代碼中，目標程序運行時將不再需要改動態庫，移植方便，體積較大，浪費空間和資源，因為所有相關的對象文件與牽涉到庫都被鏈接合成一個可執行文件，這樣導致可執行文件的體積較大。

2.靜態庫的制作
假設功能文件 a.c、b.c 包含了一些通用的程序模塊，可以被其他程序復用，那么可以將它們制作成靜態庫，具體的步驟是：
第一步，制作 *.o 原材料
gec@ubuntu:~$ gcc a.c -o a.o -c
gec@ubuntu:~$ gcc b.c -o b.o -c

第二步，將 *.o 合并成一個靜態庫
gec@ubuntu:~$ ar crs libx.a a.o b.o

可見制作靜態庫非常簡單，制作完成之后，可以用命令 ar 查看庫中所包含的 *.o 文件：
gec@ubuntu:~$ ar -t libx.a

靜態庫的常見操作
3.1 查看靜態庫中的 .o 列表
gec@ubuntu:~$ ar t libx.a #（t意即table，以列表方式列出.o文件）
a.o
b.o

3.2 刪除靜態庫中的 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar d libx.a b.o #（d意即delte，刪除掉指定的.o文件）
gec@ubuntu:~$ ar t libx.a
a.o

3.3 向靜態庫增加 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar r libx.a b.o #（r意即replace，添加或替換(重名時)指定的.o文件）
gec@ubuntu:~$ ar t libx.a
a.o
b.o

3.4 提取靜態庫中的 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar x libx.a #（x意即extract，將庫中所有的.o文件釋放出來）
gec@ubuntu:~$ ar x libx.a a.o #（指定釋放庫中的a.o文件）

4.靜態庫的使用
庫文件最大的價值，在于代碼復用。假設在上述庫文件所包含的 *.o 文件中，已經包含了若干函數接口，那么只要能鏈接這個庫，就無需再重復編寫這些接口，直接鏈接即可。

使用靜態庫要是用靜態庫libadd.a，只需要包含add.h,就可以使用函數add()、sub()。

#include <stdio.h>
#include “add.h”
void main(){
printf(“add(5,4) is %d\n”,add(5,4));
printf(“sub(5,4) is %d\n”,sub(5,4));
}
靜態庫的文件可以放在任意的位置，編譯時只需要找到該庫文件即可。
gcc -c -I /home/xxxx/include -L /home/xxxxx/lib libadd.a test.c
1）. 通過-I(是大i)指定對應的頭文件
2）. 通過-L制定庫文件的路徑,libadd.a就是要用的靜態庫。
3）. 在test.c中要包含靜態庫的頭文件。

總結：

編譯時：gcc a.c liba.a -o project
相當于liba.a 代替了b.c c.c參與編譯

5、動態庫

1.概述
不管是動態庫還是靜態庫，它們都是 *.o 文件的集合。動態庫指的是以.so后綴的庫文件。動態庫在程序編譯時并不會被鏈接到目標代碼中，而是在程序運行時才被載入，因為可執行文件體積較小。有了動態庫，程序的升級會相對比較簡單，比如某個動態庫升級了，只需要更換這個動態庫的文件，而不需要去更換可執行文件。但要注意的是，可執行程序在運行時需要能找到動態庫文件。可執行文件時動態庫的調用者。
在實際應用中，動態庫應用場合要遠多于靜態庫，因為雖然動態庫的運行時裝載特性會使得程序性能有略微的下降，但換來的是不僅僅節省了大量的存儲空間，更重要的是使得主程序和庫松耦合，不互相捆綁，當庫升級的時候，應用程序無需任何改動即可獲得新版庫文件的功能，這極大地提高了程序的靈活性。

2.庫文件命名
靜態庫的名字一般為libxxxx.a，其中xxxx是該lib的名稱；動態庫的名字一般為libxxxx.so.x.y.z，含義如下圖所示：
此處，符號鏈接的作用不是“快捷方式”，而是為了可以讓動態庫在升級版本的時候更加方便地向前兼容。一般而言，完整的動態庫文件名稱是：
lib庫名.so.主版本號.次版本號.修訂版本號
比如： libx.so.1.3.1
當動態庫迭代升級時，其版本號會發生相應的改變。比如下面的版本更迭：
2021年3月08日發布：libx.so.1.0.0
2021年4月02日發布：libx.so.1.0.1
2021年4月23日發布：libx.so.1.0.2
2021年5月18日發布：libx.so.1.0.3
2021年8月09日發布：libx.so.1.1.0
2021年9月12日發布：libx.so.1.1.1
可以看到，修訂版本號的更迭會比較頻繁，次版本號次之，主版本號再次之。為了避免每次版本號的修改而重新編譯，動態庫一般會用一個只帶主版本號的符號鏈接來鏈接程序，如：

gec@ubuntu:~$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 root root    15 Jan 16 2020 libbsd.so.0 -> libbsd.so.0.8.7
-rw-r--r-- 1 root root 80104 Jan 16 2020 libbsd.so.0.8.7
gec@ubuntu:~$

這樣一來，未來不管版本號如何變遷，只要主版本號不變，那么用戶鏈接的庫名永遠都是 libbsd.so.0，而無需關心具體某個版本。而如果連主版本號都發生了改變，這一般是因為庫不再向前兼容，比如刪除了某些原有的接口，這種情況下，用戶就需要重新編譯程序。

3.制作庫文件常用的參數
首先需要了解gcc編譯庫要用到一些參數，很重要。
在這里插入圖片描述
4.制作動態庫
不管是靜態庫還是動態庫，都是用來被其他程序鏈接的一個個功能模塊。與靜態庫一致，制作動態庫的步驟如下：
將 *.c 編譯生成 *.o
將 *.o 編譯成動態庫

把add.c編譯成動態鏈接庫libadd.so
#第一步：將源碼編譯為 *.o
gcc -fPIC -o libadd.o -c add.c
#第二步：將 *.o 編譯為動態庫
gcc -shared -o libadd.so libadd.o

也可以直接使用一條命令
gcc -fPIC -shared -o libadd.so add.c

5.動態庫的使用
動態庫的編譯跟靜態庫并無二致，如：
gec@ubuntu:~$ pwd
/home/gec
gec@ubuntu:~$ ls lib/
libx.so
gec@ubuntu:~$ gcc main.c -o main -L./lib -lx
說明：
-L 選項后面跟著動態庫所在的路徑。
-l 選項后面跟著動態庫的名稱。
運行時鏈接
動態庫的最大特征，就是編譯鏈接后程序并不包含動態庫的代碼，這些程序會在每次運行時，動態地去尋找并定位其所依賴的庫文件中的模塊，這是他們為什么被稱為動態庫的原因。
也就是說，如果程序運行時找不到動態庫，運行就會失敗，例如：
gec@ubuntu:~$ ./main
報錯
出現上述錯誤的原因，就是因為運行程序 main 時，無法找到其所依賴的動態庫 libx.so，解決這個問題，有三種辦法：

1.編譯時預告：
gec@ubuntu:~$ gcc main.c -o main -L. -lx -Wl,-rpath=/home/gec/lib
2.設置環境變量：
gec@ubuntu:~$ export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/gec/lib
3.將庫文件拷貝到根目錄下的/lib里面