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Linux下静态库与动态库

发布时间 2023-11-15 17:16:58作者: Beasts777

环境：Ubuntu 18.04.6

文章参考：爱编程的大丙 (subingwen.cn)

简介：

所谓库文件，其实就是经过编译的二进制源文件，可以分为静态库和动态库。在使用时需要搭配头文件。

在项目中使用库有两个目的：

  1. 使程序更加简洁，减少程序中的源文件数量。
  2. 避免源代码泄露。

1. 静态库

linux中静态库由ar（gcc内自带的程序）命令生成，现在已经使用的很少，大多数情况都是使用动态库。

命名规则如下：

  • Linux中，以lib为前缀，.a为后缀，中间随意，也就是libxxx.a的命名格式。
  • Windows中，以lib为前缀，以.lib为后缀，中间随意，也就是libxxx.lib的命名格式。

1.1 生成静态链接库

将源文件经过预编译、编译、汇编得到的二进制文件，通过ar工具打包即可得到静态库文件。

ar工具参数如下：

  • -c：创建一个库，不论库是否存在都将进行创建。
  • -s：创建目标文件索引，这样如果库较大时，能加快搜索速度。
  • -r：在库中插入模块。默认新成员是添加在库文件的结尾，但如果该模块名已经存在，那么就进行替换。

最后发布需要两个文件：

  • 制作的libxxx.a库文件，里面包含了具体实现的源代码。
  • 相应的头文件，相当于提供了源代码的接口。

1.2 实例

测试程序：

这里依旧使用一-->3-->3.1中的简单的计算机程序，结构如下：

.
├── add.c
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── sub.c

其中：

  • add.c和sub.c分别为加法和减法程序
  • include/head.h为头文件
  • main.c为测试文件

生成静态库：

  1. 将源文件进行汇编操作（前三步），得到二进制文件（注意指定头文件）：

    gcc add.c sub.c -c -I include/

    得到二进制文件：

    add.o
sub.o

  2. 将生成的目标文件通过ar工具打包为静态库（注意命名）：

    ar -csr libcal.a add.o sub.o

    得到静态库文件：

    libcal.a

  3. 将头文件和静态库文件一起发给用户即可使用：

    include/head.h
libcal.a

1.3 静态库的使用

首先要得到静态库和头文件，随后开始使用，当前文件结构如下：

head.h
libcal.h
main.c

错误示范：

gcc main.c -o cal
/tmp/ccT4oiqj.o：在函数‘main’中：
main.c:(.text+0x21)：对‘add’未定义的引用
main.c:(.text+0x43)：对‘sub’未定义的引用
collect2: error: ld returned 1 exit status

发现编译报错了，这是因为main.c中引入了头文件head.h，但编译器未能找到head.h中函数的具体实现，也就是找不到库文件，这与库文件的检索有关（后面会讲），简而言之就是找不到库文件，因此我们只需要在编译时指定库文件的路径和名字即可：

  • -L：指定库文件所在的目录，相对或绝对都可以。
  • -l（小写的l）：指定库文件的名字（去掉前缀和后缀）。

正确示范：

gcc main.c -o test -L ./ -l cal

生成成功。得到可执行程序test。

该执行程序不依赖库文件和头文件即可运行，因为编译过程实际上是将库中的代码复制到了可执行程序中。

2. 动态库

简介：

与静态库不同，动态库是程序运行时才会加载的库，当动态链接成功部署后，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中动态库也可以被称之为共享库。

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形式形成的。库中函数和变量使用的地址是相对地址（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。

命名规则如下：

  • Linux中，以lib为前缀，以.so为后缀，中间是库的名字。也就是libxxx.so
  • Windows中，以lib为前缀，以.dll为后缀，中间是库的名字。也就是libxxx.dll。

2.1 生成动态链接库

具体步骤如下：

  1. 通过-fpic参数在汇编时生成与位置无关的代码。
  2. 通过-shared参数告知编译器生成一个动态链接库。
  3. 发布头文件和动态链接库。

2.2 实例

实例代码：

依旧以一-->3-->3.1中的代码为例，其结构如下：

beasts777@ubuntu:~/coding/c++/cal$ tree
.
├── add.c
├── include
│   └── head.h
├── main.c
├── sub.c

生成动态链接库

  1. 使用gcc对源文件进行汇编（参数-c）生成与位置无关的目标文件，需要指定参数-fpic（注意指定头文件所在目录）

    gcc add.c sub.c -c -fpic -I include

    得到目标文件：

    add.o
sub.o

  2. 使用gcc将二进制源文件打包成动态库，需要使用参数-shared

    gcc add.o sub.o -shared -o libcalc.so

    生成动态库文件：

    libcalc.so

  3. 发布动态库文件和头文件

    libcalc.so
head.h

2.3 使用动态链接库

  1. 首先获取动态链接库和头文件：

    .
├── head.h
├── libcalc.so
└── main.c		# 这是测试文件

  2. 编译测试文件（注意指定库文件的地址和名字）：

    gcc main.c -L ./ -l calc -o app

    得到可执行文件app

  3. 执行文件：

    ./app
./app: error while loading shared libraries: libcalc.so: cannot open shared object file: No such file or directory

    发现文件报错：找不到共享库libcal.so。这是为什么？明明在编译测试文件时制定了库文件的路径和名字，但实际运行时却记得名字却找不到目录。还有为什么静态库不会出现这一问题？答案见下一节？

2.4 解决动态库无法加载的问题

2.4.1 库的工作原理

静态库：

在程序编译的最后一个阶段，也就是链接阶段，提供的静态库会被打包进可执行程序中。也就是说：此时可执行程序内已经包含了静态库中的代码，当可执行程序执行时，其拷贝的静态库的代码也会加载到进程的代码区，因此也就不需要再去寻找静态库了。

动态库：

  • 在链接阶段，虽然使用gcc命令的-L和-l指定了动态库的目录和名字，但此时：
    • 这一步只检查了动态库是否存在，并未将动态库中的代码拷贝到可执行程序中，因此运行时仍需要依赖动态库。
    • 虽然链接时指定了动态库的目录和名字，但可执行程序中只保留了库名，而未保留库的路径，它寻找库实际上是通过程序链接器按照指定顺序在固定目录寻找的。
  • 在可执行程序执行阶段：
    • 程序执行时会先检测需要的动态库是否存在，加载不到就会报错，显示无法加载到动态库。
    • 当动态库中的函数在程序中被调用了，这时动态库才会加载到内存中，不调用就不加载。
    • 动态库的检测和内存加载操作都是通过动态链接器完成的。

2.4.2 动态链接器

简介：动态链接器是一个独立于应用程序的进程，其本身属于操作系统，搜索动态库的依照一定策略，优先级从高到低依次是：

  1. 可执行文件内部的DT_RPATH
  2. 系统的环境变量：LD_LIBRARY_PATH
  3. 系统动态库的缓存文件：/etc/ld.so.cache
  4. 存储动态库、静态库的系统目录：/lib/，/usr/lib

按照以上顺序，依次搜索动态库是否存在，如果都搜索不到，那么动态链接器就会报错，提示无法找到动态库。

由此，便可以得到找不到动态库的解决方案。

2.4.3 解决方案

一共有三种方法：

  • 方案一：将库的路径添加到环境变量LD_LIBRARY_PATH中。具体步骤如下：

    1. 找到配置文件：

      • 用户级别：~/.bashrc。该设置仅对当前用户有效。
      • 全局级别：/etc/profile。该设置对所有用户都有效。

    2. 打开配置文件，添加一句话：

      export LD_LIBRARY_PATH =$LD_LIBRARY_PATH :动态库的绝对路径
# eg: export LD_LIBRARY_PATH =$LD_LIBRARY_PATH :/home/beasts777/coding/c++/activeLib/libcalc.so

    3. 令配置的文件生效：

      • 用户级别的修改：重启终端即可。（因为用户配置文件是在打开终端时加载的）

      • 系统级别的修改：重启系统即可。（全局配置文件在开机时加载）

      • 也可以用命令让操作系统重新加载配置文件，无需重启终端或系统：

        # 用户级
source ~/.bashrc
# 系统级
source /etc/profile

  • 方案二：更新系统动态库的缓存文件：/etc/ld.so.cache（需要注意的是，我们无法直接更改缓存文件，应当更改：/etc/ld.so.conf配置文件，随后再同步到缓存文件）：

    1. 打开/etc/ld.so.conf，将动态库的目录（注意这里时目录，不要添加库的名字）添加到最后一行，保存退出

      /home/beasts777/coding/c++/activeLib/

    2. 将ld.so.conf同步到ld.so.cache中：

      sudo ldconfig

      不需要进行其它操作即可生效。

  • 方案三：将动态库文件拷贝到系统库目录/lib/或/usr/lib/，或者在里面创建库的软连接（更推荐，因为这样如果后续库被修改了，就不用再拷贝一次了）

    # 拷贝库
sudo cp /home/beasts777/coding/c++/activeLib/libcalc.so /usr/lib/libcal.so
# 创建软链接（推荐）
sudo ln -s /home/beasts777/coding/c++/activeLib/libcalc.so /usr/lib/libcal.so

2.4.4 验证是否能够链接到动态库文件

语法：ldd 可执行程序名

EG：

ldd app
linux-vdso.so.1 (0x00007ffe5ffbb000)
libcalc.so => not found
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f3a8b488000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f3a8ba7b000)

如果可以链接，那么会显示地址，否则会显示not found。

2.4.5 实操

通过在系统动态库内添加软连接实现。

当前文件结构如下：

.
├── app			# 可执行文件
├── head.h		# 头文件
├── libcalc.so	# 动态库文件

  1. 在/usr/lib下创建动态库文件的软链接：

    sudo ln -s ~/coding/c++/cal/activeLib/libcalc.so /usr/lib/libcalc.so

  2. 查看可执行程序是否可以读取到动态库文件：

    ldd app
linux-vdso.so.1 (0x00007ffe3e3ee000)
libcalc.so => /usr/lib/libcalc.so (0x00007f29c7c68000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f29c7877000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f29c806c000)

    读取成功。

  3. 直接运行程序即可。

3. 优缺点

3.1 静态库

优点：

  • 静态库被直接打包到应用程序中，因此加载速度更快。
  • 发布程序时无需发布静态库。

缺点：

  • 相同的库文件可能在内存中被加载多份，浪费内存。
  • 如果库文件更新，就需要对项目进行重新编译，将新的库文件代码打包到可执行程序中。

3.2 动态库

优点：

  • 不同进程可使用同一动态库，实现不同进程间的资源共享，无需多次复制。
  • 修改动态库时，只需替换库文件，无需重新编译应用程序。
  • 因为动态库只有在使用库函数时才会被调用，因此程序员可以控制何时加载动态库。

缺点：

  • 加载速度比静态库慢，但当今计算机基本可以忽略。
  • 发布应用程序时需要发布以来的动态库。