Linux之动态库和静态库_linux静态库和动态库

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前言

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一、动态库和静态库概念

在之前的文章中，介绍过动静态库的概念，因此这次我们只是简单回顾一下。

1. Linux中的库分为动态库和静态库。
2. 静态库（.a）：库文件以.a为后缀，程序在编译链接时把库的代码链接到可执行文件中（将需要的库函数拷贝一份到代码中）。程序运行时不需要再跳转到静态库。
3. 动态库（.so）：库文件以.so为后缀，程序在运行时才去链接动态库的代码（运行时跳转到动态库中，在动态库中执行库函数）。多个程序共享库的代码。
4. 链接的本质：我们调用库函数时是如何与标准库联系的。
5. 库的名称：去掉前缀lib和后缀'.a/.so'剩下的就是库名称，例如：libc.so就是C库。
6. gcc/g++，在编译时默认使用动态链接，如果想要生存静态链接，我们要带上-static。

二、库

我们了解了动态库和静态库的相关概念，但是我们还是不理解库是个什么东西。
假设，我们做了一个小程序，只希望提供给用户小程序的功能，不希望暴露我们的源码。我们可以选择给用户提供我们的.o可重定位目标二进制文件（gcc -c 文件）与头文件。让用户使用我们提供的.o文件和.h文件进行链接即可。（在编译时，只需要把源文件编译成.o文件，再将其链接即可形成一个可执行程序，因此我们可以直接提供,o文件）。
文件add.c

  1 #include"add.h"
  2 int add(int x, int y)
  3 {
  4         printf("ADD: %d + %d = ?\n",x, y);
  5         return x + y;
  6 }

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文件mul.c

  1 #include"sub.h"
  2 int sub(int x, int y)
  3 {
  4         printf("SUB : %d - %d = ?\n",x, y);
  5         return x - y;
  6 }

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文件add.h

  1 #pragma once
  2 #include<stdio.h>
  3 extern int add(int, int);

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文件sub.h

  1 #pragma once
  2 #include<stdio.h>
  3 extern int sub(int, int);

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文件main.c

  1 #include"add.h"
  2 #include"sub.c"
  3 int main()
  4 {
  5         int a = add(1, 2);
  6         int ret = sub(10, a);
  7         return 0;
  8 }

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运行：

我们给用户同时提供.o文件（方法的实现）以及.h文件（方法的声明），用户就可以链接形成可执行程序。
但是如果我们有很多.c文件，难道我们要将所有的.c文件全部编译成.o文件，然后一个一个提供给用户吗？未免太过麻烦。我们可以把编译得到的所有.o文件打包，直接给对方提供一个库文件即可。把多个.o文件打包成一个文件，这个文件就是库。
库的本质就是.o文件的集合。

三、制作静态库

首先，如果写一个库是否需要写main函数？
答案是不需要，因为库是提供给别人使用的，用户自己写的main函数会与库函数起冲突。我们需要在编写库的角度和使用库的角度同时考虑来制作库：
编写库：

1. 创建Makefile：

  1 libmymath.s:add.o sub.o
  2         ar -rc $@ $^
  3 add.o:add.c
  4         gcc -c add.c -o add.o
  5 sub.o:sub.c
  6         gcc -c sub.c -o sub.o
  7 .PHONY:output
  8 output:
  9         mkdir -p mylib/include
 10         mkdir -p mylib/lib
 11         cp -f *.a mylib/lib
 12         cp -f *.h mylib/include
 13 .PHONY:clean
 14 clean:
 15         rm -f *.o libmymath.a

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2.打包库

将文件编译为.o文件
or命令：把所有.o文件打包起来，or作用是归档
-rc（replace和create）：例如

or -rc libmymath.a add.o sub.o
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output：发布。交付库，将库文件.a以及配套的头文件都交给用户。

将mylib打包起来。
此时，用户如果需要我们的库，只需要将mylib.tgz拷贝过去：

cp mylib.tgz .../test
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然后解压

tar xzf mylib.tgz
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安装本质就是拷贝。

3.使用库

文件main.c

  1 #include"add.h"
  2 #include"sub.h"
  3 int main()
  4 {
  5         printf("1 + 2 = %d",add(1, 2));
  6         printf("10 - (1 + 2) = %d",sub(10,3));
  7         return 0;
  8 }

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1. 为什么会找不到头文件？
   编译器搜索头文件，默认是在当前目录下搜索，在系统默认指定路径下搜索。虽然此时的mylib在当前路径下，但是头文件太深了（文件不在本层），编译器找不到头文件，因此我们需要给gcc指定路径（-I）。指明在当前路径下mylib目录中查找。

gcc -o mymath main.c -I ./mylib/include
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2. 此时出现了新问题——找不到库函数的实现。
   我们在形成可执行程序时，库文件要使用，必须知道库所在的路径，而系统中库默认路径为/lib64。因此，我们要告诉gcc，它要链接的库的路径在哪里（-L）。

如果要链接第三方的库，必须去指明库的名称（注意：指明时要去掉前缀和后缀！！!），也就是说，一定要告知是哪一个路径下的哪一个库，即使该路径下只有一个库也要明确告知gcc是哪一个库（我们以前写代码的时候，从未指明库的名称，是因为gcc/g++默认帮我们填写了，因为它们可以识别C/C++自带的库。但是自己写的库或者第三方库必须要写明）。

结果正确！！！

总结

1. -I 指明头文件的路径
2. -L 指明库文件的搜索路径
3. -l 指明要链接哪个库，要带上库的名称（去掉前缀和后缀）

注意

gcc默认是动态链接，对于一个特定的库，究竟是动态链接还是静态链接取决于提供的是动态库还是静态库。

库的安装

将库安装到系统头文件下。
gcc对头文件的默认路径为/usr.include，对于库文件的默认路径是/lib64

sudo cp 头文件（包含路径） /usr/include/
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sudo cp 库文件（包含路径） /lib64/
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但是，不太推荐将第三方库写入系统默认路径，因为第三方库未经过测试会污染系统内其它文件。

四、制作动态库

首先我们将文件全部编译成.o文件，这里与制作静态库不同的是，需带上-fPIC，形成位置无关码：

gcc -c -fPIC add.c
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什么是位置无关码？有位置无关码的目标二进制文件有什么特殊？
静态库采用的是绝对编址；
动态库采用的是相对编址。即，指定函数的地址采用相对编址（库中的偏移地址 + 段起始地址）。

动态库打包：

gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o
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使用动态库：

我们试着运行mymath：

为啥运行不了呢（为啥找不到库）？
我们的确已经告诉了gcc：我们的库文件的路径以及库名称，但是我们编译完成后，程序与gcc还有关系吗？（程序是由gcc运行的吗？）显然此时程序与gcc无关。接下来的程序运行是由OS来进行的。
动态库是程序运行时才进行链接的，而程序的运行是OS和shell来执行的，因此OS和shell也需要知道库文件的路径及名称。但是我们自己制作的库并不在系统的默认路径下，因此OS无法找到库，就无法正常执行程序。那么我们要如何让OS找到我们的库呢？
我们可以将库路径添加到环境变量LD_LIBRARY_PATH中。例如：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/Jinger/dir1/mylib/lib/libmymath.so

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直接运行：

注意：我们自己定义的环境变量只是本次登录有效，如果想永久有效只能修改环境变量的配置。当然，我们还有其它办法：

1. 配置文件（/etc/ld.so.conf.d/）：动态库进行搜索时可以通过自己定义conf文件找到动态库。

2. 建立软链接，直接找到对应的库。
   把对应的动态库建立在系统的目录下。

总结

1. 拷贝.so文件到系统共享库（动态库）路径下，默认路径是/usr/lib
2. 更改LD_LRBRARY_PATH
3. ldconfig配置/etc/ld.so.conf.d/，ldconfig更新
4. 创建软链接

五、动静态库的加载

静态库不需要加载，静态库是将代码直接拷贝到程序中，因此内存中的代码和数据可能会存在多分，造成空间浪费。把静态库代码拷贝到内存中的代码区：

动态库通过fPIC形成位置无关码，采用相对编址的方式，在程序链接时将对应库中的偏移量添加到程序中，库函数在程序运行时加载进来，经过页表，把库映射到虚拟地址空间后（共享区），库就具有了起始地址。通过起始地址和偏移地址，就可以找到要调用的库函数。

系统层面上会维护动态库的起始地址（虽然刚刚加载时不能确定起始地址，因为共享区是由OS分配的，但是加载完毕就不会改变了），直接建立页表与内存的映射，就可以直接跳转访问了。所以动态库加载一次就可以被多个进程共同使用。
动态库相对于静态库更节省内存，静态库由多个程序使用相同的库函数，加载到内存中就会导致内存中有多份重复的库函数代码，而动态库则是多个程序共用一份动态库，不会导致出现重复的库函数代码，就节省了内存空间。

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总结

以上就是今天要讲的内容，本文介绍了Linux中的动静态库的相关概念。本文作者目前也是正在学习Linux相关的知识，如果文章中的内容有错误或者不严谨的部分，欢迎大家在评论区指出，也欢迎大家在评论区提问、交流。
最后，如果本篇文章对你有所启发的话，希望可以多多支持作者，谢谢大家！