深入理解Linux中的动态库与静态库-阿里云开发者社区

深入理解Linux中的动态库与静态库

2024-01-24 191

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简介： 深入理解Linux中的动态库与静态库

动态库与静态库的概念

静态库（.a）：程序在编译链接的时候把库的代码链接到可执行文件中。程序运行的时候将不再需要静态库

动态库（.so）：程序在运行的时候才去链接动态库的代码，多个程序共享使用库的代码。

一个与动态库链接的可执行文件仅仅包含它用到的函数入口地址的一个表，而不是外部函数所在目标文件的整个机器码在可执行文件开始运行以前，外部函数的机器码由操作系统从磁盘上的该动态库中复制到内存中，这个过程称为动态链接（dynamic linking）

动态库可以在多个程序间共享，所以动态链接使得可执行文件更小，节省了磁盘空间。操作系统采用虚拟内存机制允许物理内存中的一份动态库被要用到该库的所有进程共用，节省了内存和磁盘空间。

动态库与静态库的制作

引入

在写C/C++代码时，我们经常会做到头文件与源文件的分离，后续要使用对应的类或者函数，定义一下头文件，再调用即可。这和我们调用C/C++中的库是类似的，只不过我们调用是使用 "" 而内置的库使用的是 <> 。动静态库的制作跟调用我们自己的头文件是类似的，只不过我们将众多的源文件封装在了一个文件中，头文件则没有改变。需要注意的是：这些文件中没有主函数，因为这会导致后续使用的冲突。

如下我们定义几个头文件与源文件分离调用的例子：

#pragma once
#include <stdio.h>
extern int Add(int,int);

#include "Add.h"
int Add(int x,int y)
{
    return x + y;
}

#pragma once
#include <stdio.h>
extern int Sub(int,int);

#include "Sub.h"
int Sub(int x,int y)
{
    return x - y;
}

#include "Add.h"
#include "Sub.h"
int main()
{
    int x = 114;
    int y = 514;
    printf("%d+%d=%d\n", x, y, Add(x, y));
    printf("%d-%d=%d\n", x, y, Sub(x, y));
    return 0;
}

如下图所示，我们将头文件与源文件编译生成了可执行程序，需要注意的是：我们在这里并没有说用哪个头文件，那怎么还能编译通过呢？这是由于头文件在当前路径下，编译器是能够自动找到的。（头文件的查找是在当前目录或者指定目录下）如下：

当然，我们都知道每一个文件都需要经过预处理、编译、汇编、链接的。而当我们使用多文件操作形成可执行程序的时候，其实是不建议向上面一样直接生成可执行程序的，通常应该是先生成.o文件，然后再进行链接的操作。这也是为啥我们经常会看到很多.obj文件的原因，因为未来我们可以通过组合这些.o可生成多个指定的文件。

如下我们通过一个Makefile脚本生成对应的.o文件：

   %.o:%.c
     gcc -c $<
   Test:Add.o Sub.o testmain.o
     gcc -o $@ $^ 
   .PHONY:clean
   clean:
     rm -f *.o Test

对以上命令的解析：

%.o:%.c：表示当一个以.c为后缀的文件发生变化时，需要重新生成一个以.o为后缀的目标文件。其中，%是一个占位符，表示任意字符序列。

gcc -c $<：表示使用gcc编译器将$<指定的源文件（即当前目标文件的前缀部分）编译成目标文件。$<是一个特殊的变量，表示依赖项列表中的第一个元素。即：每一个.c都会依次生成.o文件。

Test:Add.o Sub.o testmain.o：表示目标文件的依赖关系。在这个例子中，Test依赖于Add.o、Sub.o和testmain.o这三个目标文件。

gcc -o $@ $^：表示使用gcc编译器将依赖项列表中的所有目标文件（即$^）链接成一个可执行文件，并将其命名为$@指定的名称。$@是一个特殊的变量，表示目标文件的名称。

.PHONY:clean：表示clean不是一个实际的目标文件。它通常用于定义一些特殊的伪目标，如clean、install等。这些伪目标并不对应于任何实际的文件，而是用于执行一些特定的操作，例如清理编译生成的文件或安装软件包。

clean:：定义了一个名为clean的伪目标。

rm -f *.o Test：表示删除所有的目标文件（以.o为后缀的文件）以及可执行文件Test。

实际上，我们只需要将这些.o文件以及头文件打包给别人，如果别人要使用我们的.o文件，他只需要将自己的源文件编译成.o文件然后再一起链接即可。这个打包的过程大致就是生成库的过程，接下来我们就分动态库以及静态库两种“打包方式”进行叙述。

生成静态库

生成静态库的命令：ar命令在Linux中用于管理静态库。

该命令提供了多个选项来处理归档文件，以下是一些常用的参数：

-t 显示归档文件中所包含的文件列表。

-x 从归档文件中提取指定的文件。

-r 向归档文件中添加一个或多个文件。

-c 表示创建新的归档文件

-d 从归档文件中删除指定的文件。

-m 在归档文件中移动或重排文件的顺序。

-p 打印归档文件中指定文件的内容。

-q 将文件追加到归档文件的末尾。

-a 将文件插入到归档文件中指定文件之后。

通常我们使用以下命令来创建静态库：

ar -rc libmymath.a add.o sub.o
ar是gnu归档工具，rc表示(replace and create)

需要注意的是：静态库取名字是有规则的，必须按"lib名.a"来取名，后续跟上对应的.o文件即可。

如下根据上述我们更改上面的Makefile脚本：

   %.o:%.c
     gcc -c $<
   static-lib=libmymath.a
   $(static-lib):Add.o Sub.o
     ar -rc $@ $^
   .PHONY:clean
   clean:
   rm -f *.o *.a

接着我们将打包好的静态库以及头文件再次打包放到文件中，这就可作为“发布”的操作。

   %.o:%.c
     gcc -c $<
   static-lib=libmymath.a
   $(static-lib):Add.o Sub.o
     ar -rc $@ $^
    .PHONY:output
    output:
      mkdir -p mymath_lib/include
      mkdir -p mymath_lib/lib
      cp -f *.h mymath_lib/include
      cp -f *.a mymath_lib/lib       
   .PHONY:clean
   clean:
   rm -rf *.o *.a mmath_lib

再使用tar czf 命令打包这个文件就可给别人下载了。别人使用tar xzf 命令就可解压得到这个库了。

生成动态库

shared: 表示生成共享库格式

fPIC：产生位置无关码(position independent code)

库名规则：libxxx.so

如下我们通过一个Makefile脚本生成对应的.so文件：

   %.o:%.c
     gcc -fPIC -c $<
   dy-lib=libmymath.so
   $(dy-lib):Add.o Sub.o
     gcc -shared -o $@ $^
   #Test:Add.o Sub.o testmain.o
   # gcc -o $@ $^ 
   .PHONY:output
   output:
   mkdir -p mymath_lib/include
   mkdir -p mymath_lib/lib
   cp -f *.h mymath_lib/include
   cp -f *.so mymath_lib/lib
   .PHONY:clean
   clean:
     rm -rf *.o *.so mymath_lib