Linux動態(tài)庫與靜態(tài)庫-創(chuàng)新互聯(lián)

Linux動態(tài)庫與靜態(tài)庫

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Linux動態(tài)庫與靜態(tài)庫
- 1.庫的概念、種類與使用
- 2.鏈接簡述
- - 2.1 鏈接過程理解
  - 2.2 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接概念
  - 2.3 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接的例子
- 3.動態(tài)庫與靜態(tài)庫的生成方法
- - 3.1 靜態(tài)庫的生成
  - 3.2 靜態(tài)庫的打包
  - 3.2 靜態(tài)庫的使用
  - 3.3 動態(tài)庫的生成
  - 3.4 動態(tài)庫的打包
  - 3.5 動態(tài)庫的使用

1.庫的概念、種類與使用

庫的概念：一組.o文件的集合，或者說.obj文件（windows下）的集合，也就是鏈接生成可執(zhí)行文件時用到的文件

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在我的理解里，庫就是別人寫的代碼，比如庫函數(shù)，第三方庫，包括之后會用到的網(wǎng)絡庫，這些都是別人寫的，我們只是拿過來使用而已

那為什么我們要使用別人的代碼呢？

因為：為了開發(fā)效率和代碼的健壯性

那我們要如何使用別人的庫？

借助庫、開源代碼、和網(wǎng)絡。下面我們主要了解庫的使用
如果別人要用我們的功能，我們又不想給源碼，就可以把源碼打包成一個庫給對方用

庫的種類：

鏈接分為動態(tài)鏈接和靜態(tài)鏈接，庫分為動態(tài)庫和靜態(tài)庫。靜態(tài)鏈接是一個過程，這個過程中用到的庫就是靜態(tài)庫，動態(tài)鏈接同理

使用三方庫時的鏈接過程：
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2.鏈接簡述 2.1 鏈接過程理解

鏈接過程簡單概括為地址和空間分配，符號解析和代碼重定位

符號指的是變量，函數(shù)名等，符號解析則是將符號的定義和符號的引用建立聯(lián)系

重定位我簡單理解為可以準確的運行我們的程序，比如一個函數(shù)，我們可以精準的找到函數(shù)入口的地址并進行運行

符號解析后生成符號表，linux下查看符號表命令：readelf -s 文件名.o
代碼的重定位：我們運行的指令都有其對應的地址，比如我們進入一個函數(shù)就是跳到一個表示函數(shù)入口的地址，代碼變化指令也會跟著變化，地址自然就變化了，比如前面一開始有4條代碼，修改后有5條，那對應的指令和地址可能都要發(fā)生變化，函數(shù)入口就變化了，此時的代碼里重新計算地址的過程就叫做重定位。如果有多個模塊，成千上萬行代碼，修改這個地址的工作就是龐大的，早期還是人工改，現(xiàn)在都交給鏈接器了

2.2 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接概念

靜態(tài)鏈接概念：

靜態(tài)鏈接：是指編譯階段把靜態(tài)庫的代碼加入到可執(zhí)行文件中，或者說把用到的函數(shù)的全部鏈接到可執(zhí)行文件中(但是鏈接器是以文件為單位進行操作的，比如要用printf就得鏈接所有包含printf的文件)。這樣生成的可執(zhí)行文件不需要借助外部的庫，生成后可以直接使用，這就是靜態(tài)鏈接。缺點是文件比較大，每次更新都得重新編譯，優(yōu)點是運行較快
簡言之：把需要的代碼和數(shù)據(jù)從庫全拷貝到當前代碼

動態(tài)鏈接概念：

動態(tài)鏈接：是什么時候要用到庫里的東西就什么時候去找，存的也只是索引和相關的部分信息，所以占用空間不大。好處是占用空間小，所有的程序可以共用同一個庫，更新也比較方便，缺點就是比較慢。如果我們有及時上百個進程都用了同一個庫，那相比靜態(tài)鏈接就大大節(jié)省了空間
簡言之：動態(tài)庫可以被多個進程共享，與進程地址空間里的共享區(qū)有關

2.3 靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接的例子

gcc -o 命令默認動態(tài)鏈接，加上-static選項就表示靜態(tài)鏈接，可通過file命令查看鏈接屬性

#includeint main()
{int a=1;
  printf("%d\n",a);
  return 0;
}

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ldd命令，查看程序或者庫文件所依賴的共享庫，即打印動態(tài)鏈接依賴的庫列表
下圖中：libc.so.6，把lib和so去掉，中間剩下的c就是庫名，.so就表示動態(tài)庫，.a表示靜態(tài)庫，.6是主版本號

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對于靜態(tài)鏈接與動態(tài)鏈接的總結：

靜態(tài)鏈接會拷貝代碼和數(shù)據(jù)，再將其鏈接進可執(zhí)行文件，因為鏈接器的操作單元又是文件，所以靜態(tài)的鏈接的文件一般都較大，優(yōu)點是快（不用去庫里找東西自然快），不需要依賴外部（庫丟失了也能跑）。但是不好更新，每次更新都得重新編譯，比如包含了這個庫里的某個函數(shù)的文件就全得更新
動態(tài)鏈接就是啥時候要就啥時候找，鏈接器看到動態(tài)鏈接的符號也會去找，只不過不分配地址，重定位的操作等到了程序裝載時才做。但因為是通過索引去找，所以多個進程可以共享一個庫（庫丟失就跑不了了），一些場景下可以大大節(jié)省空間資源，更新時也方便，只用編譯相對應的模塊

3.動態(tài)庫與靜態(tài)庫的生成方法

下面的動靜態(tài)庫生成剖析通過下面四個函數(shù)來驗證：

add.h

#pragma once 
int add(int x,int y);

add.c

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

sub.h

#pragma once 
int sub(int x,int y);

sub.c

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

3.1 靜態(tài)庫的生成

下面以一個例子說明生成靜態(tài)庫的操作，我們利用ar工具把兩個C文件打包成一個靜態(tài)庫。靜態(tài)庫里放.o文件，可以做到不暴露源碼，再建一個目錄放頭文件，告訴使用者里面有哪些方法可以用
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3.2 靜態(tài)庫的打包

靜態(tài)庫的打包過程：

關于ar命令的補充：
ar命令是gnu的歸檔工具，常用于將目標文件打包為靜態(tài)庫，下面我們使用ar命令的-r選項和-c選項進行打包
-r(replace)：若靜態(tài)庫文件當中的目標文件有更新，則用新的目標文件替換舊的目標文件
-c(create)：建立靜態(tài)庫文件
-t：列出靜態(tài)庫中的文件
-v(verbose)：顯示詳細的信息

打包流程：
第一步：讓所有源文件生成對應的目標文件，即gcc -c add.c -o add.o等操作
第二步：使用ar命令將所有目標文件打包為靜態(tài)庫，即ar -rc …等操作
第三步：將頭文件和生成的靜態(tài)庫組織起來，即cp add.h sub.h …等操作
第四步(可有可無)：編寫Makefile后，只需一個make就能生成所有源文件對應的目標文件進而生成靜態(tài)庫

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生成的靜態(tài)庫名為libmymath.a.1，后面的1表示版本號，建議我們自己打包庫的時候去掉版本號，不然后面使用的時候會顯示找不到庫…(也不知道為啥會找不到，網(wǎng)上查閱資料后發(fā)現(xiàn)靜態(tài)庫一般都把版本號寫在文件里，再通過strings+文件里添加字符串version來標識文件是哪個版本，也有利用命令行參數(shù)來打印版本號的)

3.2 靜態(tài)庫的使用

gcc -o main main.c  -I ./include -L ./lib -lmymath -static
//-I指定去哪找頭文件，-L指定去哪找?guī)煳募?l+庫名表示去找哪個庫
//因為默認路徑的緣故，gcc編譯C代碼都不用加-I -L -l等選項

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3.3 動態(tài)庫的生成

多個進程可以共享一個多態(tài)庫，如下圖：
動態(tài)庫上面提到是要的時候再去找，所以多個進程用動態(tài)庫時用的都是同一份代碼，合理的節(jié)省了資源
-fPIC作用于編譯時期，產(chǎn)生與位置無關的代碼，編譯后的代碼用的是相對地址
用相對地址的原因：共享庫加載進內存的位置是不確定的，如果不加-fPIC選項，可能生成帶有絕對位置的代碼，那鏈接器鏈接時可能就需要去重新定位各個符號的位置，那共享庫的代碼可能就發(fā)生了變化，我們的程序此時就要去維護這段發(fā)生了變化的代碼，維護進行的操作就是拷貝一份，那動態(tài)鏈接的作用就不大了（動態(tài)鏈接本來是要用的時候直接用庫里的，現(xiàn)在我程序自身要維護一份更改后的代碼，顯然是不合理的），所以與位置無關的代碼其實就是使用了相對地址的代碼，這么做與elf文件的格式有關（借助了elf文件里面的“段”）。可以簡單理解為規(guī)定了一根線，關于地址的坐標都是相對于這根線的，不管我程序加載到內存的哪個位置，只要通過計算這根線到當前位置的距離就可以獲取到（算出）正確的位置。真正清晰的理解需要了解elf文件的格式，編譯原理、鏈接器的相關知識

3.4 動態(tài)庫的打包

動態(tài)庫的打包相對于靜態(tài)庫來說有一點點差別，但大致相同，我們還是利用上面的四個文件進行打包演示：

動態(tài)庫的打包流程：
第一步：讓所有源文件生成對應的目標文件
此時用源文件生成目標文件時需要攜帶-fPIC選項
-fPIC(position independent code)：產(chǎn)生位置無關碼
說明一下：
-fPIC作用于編譯階段，告訴編譯器產(chǎn)生與位置無關的代碼，此時產(chǎn)生的代碼中沒有絕對地址，全部都使用相對地址，從而代碼可以被加載器加載到內存的任意位置都可以正確的執(zhí)行。這正是共享庫所要求的，共享庫被加載時，在內存的位置不是固定的
如果不加-fPIC選項，則加載.so文件的代碼段時，代碼段引用的數(shù)據(jù)對象需要重定位，重定位會修改代碼段的內容，這就造成每個使用這個.so文件代碼段的進程在內核里都會生成這個.so文件代碼段的拷貝，并且每個拷貝都不一樣，取決于這個.so文件代碼段和數(shù)據(jù)段內存映射的位置
不加-fPIC編譯出來的.so是要在加載時根據(jù)加載到的位置再次重定位的，因為它里面的代碼BBS位置無關代碼。如果該.so文件被多個應用程序共同使用，那么它們必須每個程序維護一份.so的代碼副本(因為.so被每個程序加載的位置都不同，顯然這些重定位后的代碼也不同，當然不能共享)
我們總是用-fPIC來生成.so，但從來不用-fPIC來生成.a。但是.so一樣可以不用-fPIC選項進行編譯，只是這樣的.so必須要在加載到用戶程序的地址空間時重定向所有表目
第二步：使用-shared選項將所有目標文件打包為動態(tài)庫
與生成靜態(tài)庫不同的是，生成動態(tài)庫時我們不必使用ar命令，我們只需使用gcc的-shared選項即可
gcc -shared -o libcal.so add.o sub.o
第三步：將頭文件和生成的動態(tài)庫組織起來
與生成靜態(tài)庫時一樣，為了方便別人使用，在這里我們可以將add.h和sub.h這兩個頭文件放到一個名為include的目錄下，將生成的動態(tài)庫文件libcal.so放到一個名為lib的目錄下，然后將這兩個目錄都放到mlib下，此時就可以將mlib給別人使用了
第四步：使用Makefile
當然，生成動態(tài)庫也可以將上述所要執(zhí)行的命令全部寫到Makefile當中，后續(xù)當我們要生成動態(tài)庫以及組織頭文件和庫文件時就可以一步到位了
編寫Makefile后，只需一個make就能生成所有源文件對應的目標文件進而生成動態(tài)庫
一個make output就能將頭文件和動態(tài)庫組織起來

3.5 動態(tài)庫的使用

我們使用下面main.c的代碼作為例子：

//main.c
#include#include"add.h"
#include"sub.h"
int main()
{int a=add(0,1);
  printf("%d\n",a);

  return 0;
}

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