Linux——动静态库的制作及使用与动态库原理

一、静态库

1.静态库的制作

2.静态库的使用

加载静态库方法一：安装头文件与库文件

加载静态库方法二：指定文件目录

二、动态库

1.动态库的制作

2.动态库的使用

方法一：安装到系统中

方法二：软链接

方法三：配置环境变量

方法四：更改系统关于动态库的配置文件

三、安装ncurses库

四、动态库加载原理

一、静态库

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。

1.静态库的制作

站在库的制作者的角度，如果我想写一个库文件，肯定是不能写main函数的，并且要将所有的方法打包好给用户。

比如我们现在创建好了四个.h头文件进行声明，还有四个.c文件进行定义（这四个文件只有加减乘除四个函数）。

我们写一个主函数include一下这四个头文件

gcc编译一下然后执行，没啥问题

但是一般情况下，对于多文件的编译，我们不会直接gcc，因为这样每一次编译，所有的文件都要进行预处理、编译、汇编、链接。一般建议先把源文件编译成 .o 文件。最后将.o文件进行链接形成可执行文件。

我们写一个makefile来帮助编译。其中 %. 是省略写法，只要后缀相同，前面的会自动遍历，$<也是省略写法，会将依赖文件一个个展开。

这样确实可以，但依然不够优雅，我想要讲所有的 .o 文件打包成一个文件

使用以下命令将.o文件打包成静态库

ar -rc libmymath.a Add.o Div.o Mul.o Sub.o

那么现在有了这个静态库文件，我们应该如何使用呢？

我们模拟一下真实情况，目前只有.h文件（因为要include，因此.h是必须的）、静态库文件、还有我们写的主函数。

使用以下命令即可链接静态库编译成可执行文件

gcc main.c -lmymath -L.

gcc默认动态链接，但个别库只提供了静态库，gcc只能局部性的用我们指定的静态库进行静态链接，其他库正常动态链接。如果-static，就必须要全部使用静态库。

但是这样还是有点戳，说好的打包，你是打包了，但一看这么全，把库文件和.h文件都放在一起，很难看的，我想将.h放在一个文件夹中，库文件放在一个文件夹中。

使用Makefile来帮我们部署。

现在形成了mymath_lib文件夹，现在就打包好了

以后我们要发送给其他用户，就将文件夹压缩发给其他用户使用即可。

2.静态库的使用

其他用户收到了这个包，先创建c文件

加载静态库方法一：安装头文件与库文件

系统搜索头文件默认是在/usr/include文件夹中，那么我们将新下载的库的头文件，拷贝到该文件夹中，这个行为就叫做安装。

库文件默认在/lib64文件夹中，依然是将库文件拷贝到该文件夹中，后续直接gcc 编译程序就可以了。

加载静态库方法二：指定文件目录

文件中include指定相关目录即可在编译时找到库的头文件

再使用如下代码即可编译可执行文件，-I（大写i）后接头文件目录，代表需要去这里找头文件，-l（小写L）后接库名，-L后接库目录，代表这里找库文件。

gcc main.c -I mymath_lib/include -lmymath -L mymath_lib/lib

二、动态库

1.动态库的制作

依然是将.h文件和.c文件先放在一起，并写一个Makefile帮我们部署。

这里形成动态库的命令如下，是使用的gcc（gcc内置了动态链接，证明动态库更重要一点）shared: 表示生成共享库格式

gcc -shared -o libmymath.so Add.o Div.o Mul.o Sub.o

后面的 fPIC 为位置无关码，后续我们会讲到。

现在我们make编译后，再make output进行打包，就有一个mymath_lib这个打包好的动态库文件夹

里面存放的文件如下

2.动态库的使用

用户收到别人写的动态库，再写上自己的主程序，就可以开始编译运行了

使用如下代码编译，编译上跟静态库没有区别

gcc main.c -I mymath_lib/include/ -lmymath -L mymath_lib/lib/

但是我们执行的时候报错了，他找不到libmymaty.so文件

这是因为可执行程序和静态库被打包在一起，编译成可执行程序，便和静态库没关系了，因此运行时直接运行就可以了。但动态库和可执行程序是分离的，并不是同一文件，在运行时，可执行程序和动态库都要加载到内存中，虽然我们之前告诉编译器，库文件在哪里，但是执行程序跟编译是两码事，因此还是找不到。

方法一：安装到系统中

拷贝头文件

拷贝库

之后执行a.out就没问题了

并且，由于我们库文件已经安装了，后面编译也可以简单一点，告诉编译器我们使用了哪个库文件就好了，不需要在 -I（include路径） -L（lib路径）

gcc main.c -lmymath

同时可以使用 ldd a.out 查看可执行文件依赖了那些动态库。

方法二：软链接

使用如下代码进行软链接

ln -s mymath_lib/lib/libmymath.so libmymath.so

这句代码就是将文件夹中的libmymath.so软链接到当前目录下，因此当前路径就多了一个libmymath.so

执行可执行程序时，虽然他不会进入当前目录的文件夹里面找，但是会在当前目录下查找是否有动态库，因此我们软链接到当前目录下，就可以执行了。

当然，我们也可以将mymath库的软链接安装到系统中，也是可以的。

ln -s ~/centos_test/109/240314_lib/dytest/test/mymath_lib/lib/libmymath.so /lib64/libmymath.so

方法三：配置环境变量

Linux下有一个环境变量名为 LD_LIBRARY_PATH 。系统还会去该环境变量中搜索动静态库。因此我们将目录添加到该环境变量中，就可以了，代码如下

LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:~/centos_test/109/240314_lib/dytest/test/mymath_lib/lib/

方法四：更改系统关于动态库的配置文件

系统中有一个目录 /etc/ld.so.conf.d/ ，ld（加载），so（动态库后缀），conf（配置文件），d（目录）

这些系统文件管理者动态库的加载，配置文件中只需要写一个路径就可以了

再sudo ldconfig 进行刷新，就能找到了

如果别人给我的库文件，同时包含静态库和动态库，那么我们编译时默认使用的是动态库，要使用静态库依然需要加上-static。

三、安装ncurses库

我们学习了动静态库的制作和使用，现在我们要来实战一下，安装ncurses库。

sudo yum install ncurses-devel.x86_64

有了之前的理解，我们知道安装库的本质就是将头文件拷贝到/usr/include 文件夹下，将库文件拷贝到 /lib64/ 文件夹下。

下载好我们创建ncurses.c文件，并写一个贪吃蛇代码测试一下。

#include <ncurses.h>
#include <stdlib.h>
#include <time.h>
#include <unistd.h>#define DELAY 100000int main() {int x, y, maxX, maxY; //蛇头的位置和终端窗口的大小int direction = KEY_RIGHT; //方向int snakeLength = 5; //蛇的长度int snakeX[100], snakeY[100]; //蛇身的位置int foodX, foodY; //食物的位置int score = 0; //得分int gameOver = 0; //游戏结束标志// 初始化ncurses库initscr();noecho();curs_set(0);keypad(stdscr, TRUE);timeout(0);// 获取终端窗口的大小getmaxyx(stdscr, maxY, maxX);// 初始化蛇的初始位置和长度x = maxX / 2;y = maxY / 2;for (int i = 0; i < snakeLength; i++) {snakeX[i] = x - i;snakeY[i] = y;}// 生成食物的初始位置srand(time(NULL));foodX = rand() % maxX;foodY = rand() % maxY;// 游戏循环while (!gameOver) {clear();// 绘制蛇for (int i = 0; i < snakeLength; i++) {mvprintw(snakeY[i], snakeX[i], "O");}// 绘制食物mvprintw(foodY, foodX, "*");// 显示分数mvprintw(0, 0, "Score: %d", score);// 移动蛇的位置int nextX = snakeX[0];int nextY = snakeY[0];switch (direction) {case KEY_UP:nextY--;break;case KEY_DOWN:nextY++;break;case KEY_LEFT:nextX--;break;case KEY_RIGHT:nextX++;break;}// 检查是否吃到食物if (nextX == foodX && nextY == foodY) {score++;snakeLength++;foodX = rand() % maxX;foodY = rand() % maxY;} // 移动蛇的身体for (int i = snakeLength - 1; i > 0; i--) { //后一节移动到前一节的位置snakeX[i] = snakeX[i - 1];snakeY[i] = snakeY[i - 1];}// 更新蛇头位置snakeX[0] = nextX;snakeY[0] = nextY;// 检查游戏结束条件//检查是否越界if (nextX < 0 || nextX >= maxX || nextY < 0 || nextY >= maxY) {gameOver = 1;}//检查是否撞到自己的身体for (int i = 1; i < snakeLength; i++) {if (snakeX[i] == nextX && snakeY[i] == nextY) {gameOver = 1;}}// 刷新屏幕refresh();// 延迟一段时间usleep(DELAY);// 获取用户输入int key = getch();switch (key) {case KEY_UP:case KEY_DOWN:case KEY_LEFT:case KEY_RIGHT:direction = key;break;case 'q':gameOver = 1;break;}}// 清理并退出ncurses库endwin();printf("Game Over! Your score: %d\n", score);return 0;
}

使用c99标准编译成test可执行文件，注意一定要加 -lncurses 代表你使用了这个库

gcc nucurses.c -o test -lncurses -std=c99

./test 执行一下，代码就跑起来了

妈妈再也不用担心别人给我的静态库或者动态库不会使用啦。

四、动态库加载原理

之前我们动态库编译的时候代码为 gcc -fPIC -c XXX.c

其中fPIC为 与位置无关码 。

首先我们需要清楚需要动态链接的可执行程序，不光会将他自己的代码加载到内存，还需要将链接的库也加载到内存，这样才可以找得到。
在程序还没有被加载时，程序内部也是有地址的，C语言的变量名和函数名，在编译为2进制后，就没有了名字的概念，取而代之的是地址。我们代码中gcc -c 形成的.o文件就是二进3.制文件，他只有地址的说法，没有变量的说法。
那么我们在编译的时候，就需要对代码进行编址，这仍然遵循虚拟地址空间那一套。他不仅仅是操作系统的概念，在编译器编译的时候也要按照这样的规则编译可执行程序。这样在加载的时候，就很好进行数据的对应。
编址的时候，可以进行绝对编址和相对编址，绝对编址就是实实在在的是什么地址就是什么地址，每一次加载的地址都可能不一样，相对编址就是某一函数，相对于程序入口地址是多少，那么我们可以保证在代码不变的情况下，使用相对编址，他里面的函数或变量的相对地址也不会发生改变。这就叫与位置无关码。

我们知道静态库在链接时，会链接上我的代码，他们打包形成了一个可执行程序，因此运行时数据都在可执行程序中，不需要去外部找内容，所以我们执行静态库链接的程序，直接运行就好了。

而动态库链接运行时，我们的代码需要加载到内存，我们代码使用到的库也需要加载到内存，这样才可以找到相关内容，成功运行。动态库被加载之后，映射到了我写的程序task_struct中的指针所指向的虚拟地址空间中的共享区部分。

动态库可以在共享区的任何位置。那我们的代码在运行时需要去找到动态库文件，那就可以直接去共享区查找，再通过页表映射，找到库文件所在的物理内存。当其他的可执行程序，也需要使用到该动态库的时候，也是在他的进程地址空间中的共享区中，用他的页表映射，找到物理内存中的库。我们的意思是动态库在物理内存中只有一份，而在不同的进程的虚拟内存空间中，可以有N多份，只要建立好页表映射就可以了！！！