Linux 静态库和动态库

        不管是Linux还是Windows中的库文件其本质和工作模式都是相同的, 只不过在不同的平台上库对应的文件格式和文件后缀不同。程序中调用的库有两种 静态库和动态库，不管是哪种库文件本质是还是源文件，只不过是二进制格式只有计算机能够识别，作为一个普通人就无能为力了。

        在项目中使用库一般有两个目的，一个是为了使程序更加简洁不需要在项目中维护太多的源文件，另一方面是为了源代码保密，毕竟不是所有人都想把自己编写的程序开源出来。

        当我们拿到了库文件（动态库、静态库）之后要想使用还必须有这些库中提供的API函数的声明，也就是头文件，把这些都添加到项目中，就可以快乐的写代码了。

1. 静态库

        在Linux中静态库由程序 ar 生成，现在静态库已经不像之前那么普遍了，这主要是由于程序都在使用动态库。关于静态库的命名规则如下:

  • 在Linux中静态库以lib作为前缀, 以.a作为后缀, 中间是库的名字自己指定即可, 即: libxxx.a
  • 在Windows中静态库一般以lib作为前缀, 以lib作为后缀, 中间是库的名字需要自己指定, 即: libxxx.lib

1.1 生成静态链接库

        生成静态库，需要先对源文件进行汇编操作 (使用参数 -c) 得到二进制格式的目标文件 (.o 格式), 然后在通过 ar工具将目标文件打包就可以得到静态库文件了 (libxxx.a)。

使用ar工具创建静态库的时候需要三个参数:

  • 参数c：创建一个库，不管库是否存在，都将创建。
  • 参数s：创建目标文件索引，这在创建较大的库时能加快时间。
  • 参数r：在库中插入模块(替换)。默认新的成员添加在库的结尾处，如果模块名已经在库中存在，则替换同名的模块。

生成静态链接库的具体步骤如下:

        1.需要将源文件进行汇编, 得到 .o 文件, 需要使用参数 -c        

# 执行如下操作, 默认生成二进制的 .o 文件
# -c 参数位置没有要求
$ gcc 源文件(*.c) -c

        2.将得到的 .o 进行打包, 得到静态库

$ ar rcs 静态库的名字(libxxx.a) 原材料(*.o)

        3.发布静态库

# 发布静态库1. 提供头文件 **.h2. 提供制作出来的静态库 libxxx.a

1.2 静态库制作举例

1.2.1 准备测试程序

在某个目录中有如下的源文件, 用来实现一个简单的计算器:

# 目录结构 add.c div.c mult.c sub.c -> 算法的源文件, 函数声明在头文件 head.h
# main.c中是对接口的测试程序, 制作库的时候不需要将 main.c 算进去
.
├── add.c
├── div.c
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── mult.c
└── sub.c

加法计算源文件 add.c:

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

减法计算源文件 sub.c:

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

乘法计算源文件 mult.c:

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

减法计算的源文件 div.c

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

头文件 head.h

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

测试文件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 生成静态库

        第一步: 将源文件add.c, div.c, mult.c, sub.c 进行汇编, 得到二进制目标文件 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.# 提示头文件找不到, 添加参数 -I 重新头文件路径即可
$ gcc add.c div.c mult.c sub.c -c -I ./include/# 查看目标文件是否已经生成
$ tree
.
├── add.c
├── add.o            # 目标文件
├── div.c
├── div.o            # 目标文件
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o           # 目标文件
├── sub.c
└── sub.o            # 目标文件

第二步: 将生成的目标文件通过 ar工具打包生成静态库

# 2. 将生成的目标文件 .o 打包成静态库
$ ar rcs libcalc.a a.o b.o c.o    # a.o b.o c.o在同一个目录中可以写成 *.o# 查看目录中的文件
$ tree
.
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── include
│   └── `head.h  ===> 和静态库一并发布
├── `libcalc.a   ===> 生成的静态库
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o
├── sub.c
└── sub.o

第三步: 将生成的的静态库 libcalc.a和库对应的头文件head.h一并发布给使用者就可以了

# 3. 发布静态库1. head.h    => 函数声明2. libcalc.a => 函数定义(二进制格式)

1.3 静态库的使用

        当我们得到了一个可用的静态库之后, 需要将其放到一个目录中, 然后根据得到的头文件编写测试代码, 对静态库中的函数进行调用。

# 1. 首先拿到了发布的静态库`head.h` 和 `libcalc.a`# 2. 将静态库, 头文件, 测试程序放到一个目录中准备进行测试
.
├── head.h          # 函数声明
├── libcalc.a       # 函数定义（二进制格式）
└── main.c          # 函数测试

编译测试程序, 得到可执行文件。

# 3. 编译测试程序 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

上述错误分析:

        编译的源文件中包含了头文件 head.h, 这个头文件中声明的函数对应的定义（也就是函数体实现）在静态库中，程序在编译的时候没有找到函数实现，因此提示 undefined reference to xxxx。

解决方案：在编译的时将静态库的路径和名字都指定出来

  • -L: 指定库所在的目录(相对或者绝对路径)
  • -l: 指定库的名字, 需要掐头(lib)去尾(.a) 剩下的才是需要的静态库的名字
# 4. 编译的时候指定库信息-L: 指定库所在的目录(相对或者绝对路径)-l: 指定库的名字, 掐头(lib)去尾(.a) ==> calc
# -L -l, 参数和参数值之间可以有空格, 也可以没有  -L./ -lcalc
$ gcc main.c -o app -L ./ -l calc# 查看目录信息, 发现可执行程序已经生成了
$ tree
.
├── app   		# 生成的可执行程序
├── head.h
├── libcalc.a
└── main.c

2. 动态库

        动态链接库是程序运行时加载的库，当动态链接库正确部署之后，运行的多个程序可以使用同一个加载到内存中的动态库，因此在Linux中动态链接库也可称之为共享库。

        动态链接库是目标文件的集合，目标文件在动态链接库中的组织方式是按照特殊方式形成的。库中函数和变量的地址使用的是相对地址（静态库中使用的是绝对地址），其真实地址是在应用程序加载动态库时形成的。

关于动态库的命名规则如下:

  • 在Linux中动态库以lib作为前缀, 以.so作为后缀, 中间是库的名字自己指定即可, 即: libxxx.so
  • 在Windows中动态库一般以lib作为前缀, 以dll作为后缀, 中间是库的名字需要自己指定, 即: libxxx.dll

2.1 生成动态链接库

        生成动态链接库是直接使用gcc命令并且需要添加-fPIC（-fpic） 以及-shared 参数。

  • -fPIC 或 -fpic 参数的作用是使得 gcc 生成的代码是与位置无关的，也就是使用相对位置。
  • -shared参数的作用是告诉编译器生成一个动态链接库。

生成动态链接库的具体步骤如下:

        1、将源文件进行汇编操作, 需要使用参数 -c, 还需要添加额外参数 -fpic / -fPIC

# 得到若干个 .o文件
$ gcc 源文件(*.c) -c -fpic

       2、 将得到的.o文件打包成动态库, 还是使用gcc, 使用参数 -shared 指定生成动态库(位置没有要求)

$ gcc -shared 与位置无关的目标文件(*.o) -o 动态库(libxxx.so)

        3、发布动态库和头文件

# 发布1. 提供头文件: xxx.h2. 提供动态库: libxxx.so

2.2 动态库制作举例

        在此还是以上面制作静态库使用的实例代码为例来制作动态库, 代码目录如下:

# 举例, 示例目录如下:
# 目录结构 add.c div.c mult.c sub.c -> 算法的源文件, 函数声明在头文件 head.h
# main.c中是对接口的测试程序, 制作库的时候不需要将 main.c 算进去
.
├── add.c
├── div.c
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── mult.c
└── sub.c

第一步: 使用gcc将源文件进行汇编(参数-c), 生成与位置无关的目标文件, 需要使用参数 -fpic或者-fPIC

# 1. 将.c汇编得到.o, 需要额外的参数 -fpic/-fPIC
$ gcc add.c div.c mult.c sub.c -c -fpic -I ./include/# 查看目录文件信息, 检查是否生成了目标文件
$ tree
.
├── add.c
├── add.o                # 生成的目标文件
├── div.c
├── div.o                # 生成的目标文件
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o               # 生成的目标文件
├── sub.c
└── sub.o                # 生成的目标文件

第二步: 使用gcc将得到的目标文件打包生成动态库, 需要使用参数 -shared

# 2. 将得到 .o 打包成动态库, 使用gcc , 参数 -shared
$ gcc -shared add.o div.o mult.o sub.o -o libcalc.so  # 检查目录中是否生成了动态库
$ tree
.
├── add.c
├── add.o
├── div.c
├── div.o
├── include
│   └── `head.h   ===> 和动态库一起发布
├── `libcalc.so   ===> 生成的动态库
├── main.c
├── mult.c
├── mult.o
├── sub.c
└── sub.o

第三步: 发布生成的动态库和相关的头文件

# 3. 发布库文件和头文件1. head.h2. libcalc.so

2.3 动态库的使用

        当我们得到了一个可用的动态库之后, 需要将其放到一个目录中, 然后根据得到的头文件编写测试代码, 对动态库中的函数进行调用。

# 1. 拿到发布的动态库`head.h   libcalc.so
# 2. 基于头文件编写测试程序, 测试动态库中提供的接口是否可用`main.c`
# 示例目录:
.
├── head.h          ==> 函数声明
├── libcalc.so      ==> 函数定义
└── main.c          ==> 函数测试

编译测试程序

# 3. 编译测试程序
$ 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

错误原因:

  • 和使用静态库一样, 在编译的时候需要指定库相关的信息: 库的路径 -L和 库的名字 -l

添加库信息相关参数, 重新编译测试代码:

# 在编译的时候指定动态库相关的信息: 库的路径 -L, 库的名字 -l
$ gcc main.c -o app -L./ -lcalc# 查看是否生成了可执行程序
$ tree
.
├── app 			# 生成的可执行程序
├── head.h
├── libcalc.so
└── main.c# 执行生成的可执行程序, 错误提示 ==> 可执行程序执行的时候找不到动态库
$ ./app 
./app: error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

3. 优缺点

3.1 静态库

优点：

  • 静态库被打包到应用程序中加载速度快
  • 发布程序无需提供静态库，移植方便

缺点：

  • 相同的库文件数据可能在内存中被加载多份, 消耗系统资源，浪费内存
  • 库文件更新需要重新编译项目文件, 生成新的可执行程序, 浪费时间。

3.2 动态库

优点：

  • 可实现不同进程间的资源共享
  • 动态库升级简单, 只需要替换库文件, 无需重新编译应用程序
  • 程序猿可以控制何时加载动态库, 不调用库函数动态库不会被加载

缺点：

  • 加载速度比静态库慢, 以现在计算机的性能可以忽略
  • 发 布程序需要提供依赖的动态库

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