Linux 靜態庫和動態庫

? ? ? ? 不管是Linux還是Windows中的庫文件其本質和工作模式都是相同的, 只不過在不同的平臺上庫對應的文件格式和文件后綴不同。程序中調用的庫有兩種 靜態庫和動態庫，不管是哪種庫文件本質是還是源文件，只不過是二進制格式只有計算機能夠識別，作為一個普通人就無能為力了。

????????在項目中使用庫一般有兩個目的，一個是為了使程序更加簡潔不需要在項目中維護太多的源文件，另一方面是為了源代碼保密，畢竟不是所有人都想把自己編寫的程序開源出來。

????????當我們拿到了庫文件（動態庫、靜態庫）之后要想使用還必須有這些庫中提供的API函數的聲明，也就是頭文件，把這些都添加到項目中，就可以快樂的寫代碼了。

1. 靜態庫

????????在Linux中靜態庫由程序 ar 生成，現在靜態庫已經不像之前那么普遍了，這主要是由于程序都在使用動態庫。關于靜態庫的命名規則如下:

  • 在Linux中靜態庫以lib作為前綴, 以.a作為后綴, 中間是庫的名字自己指定即可, 即: libxxx.a
  • 在Windows中靜態庫一般以lib作為前綴, 以lib作為后綴, 中間是庫的名字需要自己指定, 即: libxxx.lib

1.1 生成靜態鏈接庫

????????生成靜態庫，需要先對源文件進行匯編操作 (使用參數 -c) 得到二進制格式的目標文件 (.o 格式), 然后在通過 ar工具將目標文件打包就可以得到靜態庫文件了 (libxxx.a)。

使用ar工具創建靜態庫的時候需要三個參數:

  • 參數c：創建一個庫，不管庫是否存在，都將創建。
  • 參數s：創建目標文件索引，這在創建較大的庫時能加快時間。
  • 參數r：在庫中插入模塊(替換)。默認新的成員添加在庫的結尾處，如果模塊名已經在庫中存在，則替換同名的模塊。

生成靜態鏈接庫的具體步驟如下:

????????1.需要將源文件進行匯編, 得到 .o 文件, 需要使用參數 -c????????

# 執行如下操作, 默認生成二進制的 .o 文件
# -c 參數位置沒有要求
$ gcc 源文件(*.c) -c

????????2.將得到的 .o 進行打包, 得到靜態庫

$ ar rcs 靜態庫的名字(libxxx.a) 原材料(*.o)

? ? ? ? 3.發布靜態庫

# 發布靜態庫1. 提供頭文件 **.h2. 提供制作出來的靜態庫 libxxx.a

1.2 靜態庫制作舉例

1.2.1 準備測試程序

在某個目錄中有如下的源文件, 用來實現一個簡單的計算器:

# 目錄結構 add.c div.c mult.c sub.c -> 算法的源文件, 函數聲明在頭文件 head.h
# main.c中是對接口的測試程序, 制作庫的時候不需要將 main.c 算進去
.
├── add.c
├── div.c
├── include
│?? └── head.h
├── main.c
├── mult.c
└── sub.c

加法計算源文件 add.c:

#include <stdio.h>
#include "head.h"int add(int a, int b)
{return a+b;
}

減法計算源文件 sub.c:

#include <stdio.h>
#include "head.h"int subtract(int a, int b)
{return a-b;
}

乘法計算源文件 mult.c:

#include <stdio.h>
#include "head.h"int multiply(int a, int b)
{return a*b;
}

減法計算的源文件 div.c

#include <stdio.h>
#include "head.h"double divide(int a, int b)
{return (double)a/b;
}

頭文件 head.h

#ifndef _HEAD_H
#define _HEAD_H
// 加法
int add(int a, int b);
// 減法
int subtract(int a, int b);
// 乘法
int multiply(int a, int b);
// 除法
double divide(int a, int b);
#endif

測試文件main.c

#include <stdio.h>
#include "head.h"int main()
{int a = 20;int b = 12;printf("a = %d, b = %d\n", a, b);printf("a + b = %d\n", add(a, b));printf("a - b = %d\n", subtract(a, b));printf("a * b = %d\n", multiply(a, b));printf("a / b = %f\n", divide(a, b));return 0;
}

1.2.2 生成靜態庫

????????第一步: 將源文件add.c, div.c, mult.c, sub.c 進行匯編, 得到二進制目標文件 add.o, div.o, mult.o, sub.o

# 1. 生成.o
$ gcc add.c div.c mult.c sub.c -c
sub.c:2:18: fatal error: head.h: No such file or directory
compilation terminated.# 提示頭文件找不到, 添加參數 -I 重新頭文件路徑即可
$ gcc add.c div.c mult.c sub.c -c -I ./include/# 查看目標文件是否已經生成
$ tree
.
├── add.c
├── add.o            # 目標文件
├── div.c
├── div.o            # 目標文件
├── include
│?? └── head.h
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o           # 目標文件
├── sub.c
└── sub.o            # 目標文件

第二步: 將生成的目標文件通過 ar工具打包生成靜態庫

# 2. 將生成的目標文件 .o 打包成靜態庫
$ ar rcs libcalc.a a.o b.o c.o    # a.o b.o c.o在同一個目錄中可以寫成 *.o# 查看目錄中的文件
$ tree
.
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── include
│?? └── `head.h  ===> 和靜態庫一并發布
├── `libcalc.a   ===> 生成的靜態庫
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o
├── sub.c
└── sub.o

第三步: 將生成的的靜態庫 libcalc.a和庫對應的頭文件head.h一并發布給使用者就可以了

# 3. 發布靜態庫1. head.h    => 函數聲明2. libcalc.a => 函數定義(二進制格式)

1.3 靜態庫的使用

????????當我們得到了一個可用的靜態庫之后, 需要將其放到一個目錄中, 然后根據得到的頭文件編寫測試代碼, 對靜態庫中的函數進行調用。

# 1. 首先拿到了發布的靜態庫`head.h` 和 `libcalc.a`# 2. 將靜態庫, 頭文件, 測試程序放到一個目錄中準備進行測試
.
├── head.h          # 函數聲明
├── libcalc.a       # 函數定義（二進制格式）
└── main.c          # 函數測試

編譯測試程序, 得到可執行文件。

# 3. 編譯測試程序 main.c
$ gcc main.c -o app
/tmp/ccR7Fk49.o: In function `main':
main.c:(.text+0x38): undefined reference to `add'
main.c:(.text+0x58): undefined reference to `subtract'
main.c:(.text+0x78): undefined reference to `multiply'
main.c:(.text+0x98): undefined reference to `divide'
collect2: error: ld returned 1 exit status

上述錯誤分析:

????????編譯的源文件中包含了頭文件 head.h, 這個頭文件中聲明的函數對應的定義（也就是函數體實現）在靜態庫中，程序在編譯的時候沒有找到函數實現，因此提示 undefined reference to xxxx。

解決方案：在編譯的時將靜態庫的路徑和名字都指定出來

  • -L: 指定庫所在的目錄(相對或者絕對路徑)
  • -l: 指定庫的名字, 需要掐頭(lib)去尾(.a) 剩下的才是需要的靜態庫的名字
# 4. 編譯的時候指定庫信息-L: 指定庫所在的目錄(相對或者絕對路徑)-l: 指定庫的名字, 掐頭(lib)去尾(.a) ==> calc
# -L -l, 參數和參數值之間可以有空格, 也可以沒有  -L./ -lcalc
$ gcc main.c -o app -L ./ -l calc# 查看目錄信息, 發現可執行程序已經生成了
$ tree
.
├── app   		# 生成的可執行程序
├── head.h
├── libcalc.a
└── main.c

2. 動態庫

????????動態鏈接庫是程序運行時加載的庫，當動態鏈接庫正確部署之后，運行的多個程序可以使用同一個加載到內存中的動態庫，因此在Linux中動態鏈接庫也可稱之為共享庫。

????????動態鏈接庫是目標文件的集合，目標文件在動態鏈接庫中的組織方式是按照特殊方式形成的。庫中函數和變量的地址使用的是相對地址（靜態庫中使用的是絕對地址），其真實地址是在應用程序加載動態庫時形成的。

關于動態庫的命名規則如下:

  • 在Linux中動態庫以lib作為前綴, 以.so作為后綴, 中間是庫的名字自己指定即可, 即: libxxx.so
  • 在Windows中動態庫一般以lib作為前綴, 以dll作為后綴, 中間是庫的名字需要自己指定, 即: libxxx.dll

2.1 生成動態鏈接庫

????????生成動態鏈接庫是直接使用gcc命令并且需要添加-fPIC（-fpic） 以及-shared 參數。

  • -fPIC 或 -fpic 參數的作用是使得 gcc 生成的代碼是與位置無關的，也就是使用相對位置。
  • -shared參數的作用是告訴編譯器生成一個動態鏈接庫。

生成動態鏈接庫的具體步驟如下:

? ? ? ? 1、將源文件進行匯編操作, 需要使用參數 -c, 還需要添加額外參數 -fpic / -fPIC

# 得到若干個 .o文件
$ gcc 源文件(*.c) -c -fpic

? ? ? ?2、 將得到的.o文件打包成動態庫, 還是使用gcc, 使用參數 -shared 指定生成動態庫(位置沒有要求)

$ gcc -shared 與位置無關的目標文件(*.o) -o 動態庫(libxxx.so)

? ? ? ? 3、發布動態庫和頭文件

# 發布1. 提供頭文件: xxx.h2. 提供動態庫: libxxx.so

2.2 動態庫制作舉例

????????在此還是以上面制作靜態庫使用的實例代碼為例來制作動態庫, 代碼目錄如下:

# 舉例, 示例目錄如下:
# 目錄結構 add.c div.c mult.c sub.c -> 算法的源文件, 函數聲明在頭文件 head.h
# main.c中是對接口的測試程序, 制作庫的時候不需要將 main.c 算進去
.
├── add.c
├── div.c
├── include
│?? └── head.h
├── main.c
├── mult.c
└── sub.c

第一步: 使用gcc將源文件進行匯編(參數-c), 生成與位置無關的目標文件, 需要使用參數 -fpic或者-fPIC

# 1. 將.c匯編得到.o, 需要額外的參數 -fpic/-fPIC
$ gcc add.c div.c mult.c sub.c -c -fpic -I ./include/# 查看目錄文件信息, 檢查是否生成了目標文件
$ tree
.
├── add.c
├── add.o                # 生成的目標文件
├── div.c
├── div.o                # 生成的目標文件
├── include
│?? └── head.h
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o               # 生成的目標文件
├── sub.c
└── sub.o                # 生成的目標文件

第二步: 使用gcc將得到的目標文件打包生成動態庫, 需要使用參數 -shared

# 2. 將得到 .o 打包成動態庫, 使用gcc , 參數 -shared
$ gcc -shared add.o div.o mult.o sub.o -o libcalc.so  # 檢查目錄中是否生成了動態庫
$ tree
.
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── include
│?? └── `head.h   ===> 和動態庫一起發布
├── `libcalc.so   ===> 生成的動態庫
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o
├── sub.c
└── sub.o

第三步: 發布生成的動態庫和相關的頭文件

# 3. 發布庫文件和頭文件1. head.h2. libcalc.so

2.3 動態庫的使用

????????當我們得到了一個可用的動態庫之后, 需要將其放到一個目錄中, 然后根據得到的頭文件編寫測試代碼, 對動態庫中的函數進行調用。

# 1. 拿到發布的動態庫`head.h   libcalc.so
# 2. 基于頭文件編寫測試程序, 測試動態庫中提供的接口是否可用`main.c`
# 示例目錄:
.
├── head.h          ==> 函數聲明
├── libcalc.so      ==> 函數定義
└── main.c          ==> 函數測試

編譯測試程序

# 3. 編譯測試程序
$ gcc main.c -o app
/tmp/ccwlUpVy.o: In function `main':
main.c:(.text+0x38): undefined reference to `add'
main.c:(.text+0x58): undefined reference to `subtract'
main.c:(.text+0x78): undefined reference to `multiply'
main.c:(.text+0x98): undefined reference to `divide'
collect2: error: ld returned 1 exit status

錯誤原因:

  • 和使用靜態庫一樣, 在編譯的時候需要指定庫相關的信息: 庫的路徑 -L和 庫的名字 -l

添加庫信息相關參數, 重新編譯測試代碼:

# 在編譯的時候指定動態庫相關的信息: 庫的路徑 -L, 庫的名字 -l
$ gcc main.c -o app -L./ -lcalc# 查看是否生成了可執行程序
$ tree
.
├── app 			# 生成的可執行程序
├── head.h
├── libcalc.so
└── main.c# 執行生成的可執行程序, 錯誤提示 ==> 可執行程序執行的時候找不到動態庫
$ ./app 
./app: error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

3. 優缺點

3.1 靜態庫

優點：

  • 靜態庫被打包到應用程序中加載速度快
  • 發布程序無需提供靜態庫，移植方便

缺點：

  • 相同的庫文件數據可能在內存中被加載多份, 消耗系統資源，浪費內存
  • 庫文件更新需要重新編譯項目文件, 生成新的可執行程序, 浪費時間。

3.2 動態庫

優點：

  • 可實現不同進程間的資源共享
  • 動態庫升級簡單, 只需要替換庫文件, 無需重新編譯應用程序
  • 程序猿可以控制何時加載動態庫, 不調用庫函數動態庫不會被加載

缺點：

  • 加載速度比靜態庫慢, 以現在計算機的性能可以忽略
  • 發 布程序需要提供依賴的動態庫

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