Linux動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的基本概念

前言

學(xué)習(xí)Linux動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)是一個(gè)繞不開的話題，我們今天就一起來(lái)看一下什么是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)有什么好處、如何編譯出一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)等幾個(gè)關(guān)于動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的幾個(gè)基本概念，廢話少說(shuō)咱們直接開始！

鏈接庫(kù)是什么？

當(dāng)使用 C 編程語(yǔ)言編寫一個(gè)應(yīng)用程序時(shí)，我們不可能每個(gè)程序都從最底層開始編寫，這樣的話無(wú)論是學(xué)習(xí)還是工作，都會(huì)帶來(lái)很多的不便，于是庫(kù)就出現(xiàn)了。

我們可以把庫(kù)理解成前輩給我們寫好的可以直接拿來(lái)用的、成熟的代碼。本質(zhì)上來(lái)所庫(kù)是一種可執(zhí)行的二進(jìn)制文件，可以直接被操作系統(tǒng)載入內(nèi)存執(zhí)行，庫(kù)有兩種：靜態(tài)庫(kù)（.a、.lib）和動(dòng)態(tài)庫(kù)（.so、.dll）。

你的代碼通常有多個(gè)庫(kù)文件，庫(kù)文件是計(jì)算機(jī)中給我們提供的一類函數(shù)、變量或類，我們無(wú)需知道他們是具體是怎么實(shí)現(xiàn)的，我們只需要關(guān)心它是怎么使用的，比如需要哪些參數(shù)、實(shí)現(xiàn)什么功能、返回值是什么樣的等等。

本質(zhì)上來(lái)說(shuō)庫(kù)是一種可執(zhí)行代碼的二進(jìn)制形式，可以被操作系統(tǒng)載入內(nèi)存執(zhí)行。

靜態(tài)鏈接庫(kù)

靜態(tài)鏈接庫(kù)是指編譯鏈接時(shí)，把庫(kù)文件的代碼全部加入到可執(zhí)行文件中，因此生成的文件比較大，但在運(yùn)行時(shí)也就不再需要庫(kù)文件了。其后綴名一般為 .a 。

我們需要注意的是靜態(tài)庫(kù)是會(huì)隨著編譯一起被編譯到 .o 文件中的，即一旦程序編譯靜態(tài)庫(kù)與匯編生成的目標(biāo)文件一起鏈接為可執(zhí)行文件，那么靜態(tài)庫(kù)必定跟.o文件格式相似，只有這樣才能和目標(biāo)文件成功鏈接。

靜態(tài)鏈接庫(kù)的特點(diǎn)

• 靜態(tài)庫(kù)對(duì)函數(shù)庫(kù)的鏈接是放在編譯時(shí)期完成的。

• 程序在運(yùn)行時(shí)與函數(shù)庫(kù)再無(wú)瓜葛，移植方便。

• 浪費(fèi)空間和資源，因?yàn)樗邢嚓P(guān)的目標(biāo)文件與牽涉到的函數(shù)庫(kù)被鏈接合成一個(gè)可執(zhí)行文件。

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)

通過(guò)上面對(duì)靜態(tài)鏈接庫(kù)的介紹我們其實(shí)對(duì)庫(kù)應(yīng)該已經(jīng)有個(gè)概念了，既然有靜態(tài)鏈接庫(kù)那肯定就存在動(dòng)態(tài)的鏈接庫(kù)，那什么是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)呢？我們一起來(lái)看一下！

我們知道靜態(tài)鏈接庫(kù)會(huì)占用很多不必要的資源，那我們就能想到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的第一個(gè)特點(diǎn)肯定就是節(jié)省資源。

動(dòng)態(tài)庫(kù)在程序編譯時(shí)并不會(huì)像靜態(tài)鏈接庫(kù)那樣被連接到目標(biāo)代碼中，而是在程序運(yùn)行是才被載入。不同的應(yīng)用程序如果調(diào)用相同的庫(kù)，那么在內(nèi)存里只需要有一份該共享庫(kù)的實(shí)例，規(guī)避了空間浪費(fèi)問(wèn)題。動(dòng)態(tài)庫(kù)在程序運(yùn)行是才被載入，也解決了靜態(tài)庫(kù)對(duì)程序的更新、部署和發(fā)布頁(yè)會(huì)帶來(lái)麻煩。用戶只需要更新動(dòng)態(tài)庫(kù)即可，增量更新。

動(dòng)態(tài)庫(kù)一般后綴名為 .so，gcc/g++在編譯時(shí)默認(rèn)使用動(dòng)態(tài)庫(kù)。無(wú)論靜態(tài)庫(kù)，還是動(dòng)態(tài)庫(kù)，都是由 .o 文件創(chuàng)建的。

動(dòng)態(tài)庫(kù)的編譯

下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)介紹如何生成一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)。建一個(gè)頭文件：dynamic.h三個(gè).cpp文件：dynamic_a.cpp、dynamic_b.cpp, dynamic_c.cpp我們將這幾個(gè)文件編譯成一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)：libdynamic.so。

dynamic.h

#ifndef?__DYNAMIC_H_
#define?__DYNAMIC_H_
#include?
void?dynamic_a();
void?dynamic_b();
void?dynamic_c();
#endif

dynamic_a.cpp

#include"dynamic.h"
void?dynamic_a()
{
??cout<<"this?is?in?dynamic_a?"<<endl;
}

dynamic_b.cpp

#include"dynamic.h"
void?dynamic_b()
{
??cout<<"this?is?in?dynamic_b?"<<endl;
}

dynamic_c.cpp

#include"dynamic.h"
void?dynamic_c()
{
??cout<<"this?is?in?dynamic_c?"<<endl;
}

將這幾個(gè)文件編譯成動(dòng)態(tài)庫(kù)libdynamic.so。編譯命令如下：

g++?dynamic_a.cpp?dynamic_b.cpp?dynamic_c.cpp?-fPIC?-shared?-o?libdynamic.so

參數(shù)說(shuō)明：-shared：該選項(xiàng)指定生成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)-fPIC：表示編譯為位置獨(dú)立的代碼，不用此選項(xiàng)的話編譯后的代碼是位置相關(guān)的，所以動(dòng)態(tài)載入時(shí)是通過(guò)代碼拷貝的方式來(lái)滿足不同進(jìn)程的需要，而不能達(dá)到真正代碼段共享的目的。

在上面的部分，我們已經(jīng)生成了一個(gè)libdynamic.so的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，現(xiàn)在我們用一個(gè)程序來(lái)調(diào)用這個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。

main.cpp

#include"dynamic.h"
int?main()
{
??dynamic_c();
??dynamic_c();
??dynamic_c();
??return?0;
}

將main.cpp與libdynamic.so鏈接成一個(gè)可執(zhí)行文件main，命令如下：

g++?main.cpp?-L.?-ldynamic?-o?main

參數(shù)說(shuō)明：-L：表示要連接的庫(kù)在當(dāng)前目錄中-ldynamic：編譯器查找動(dòng)態(tài)連接庫(kù)時(shí)有隱含的命名規(guī)則，即在給出的名字前面加上lib，后面加上.so來(lái)確定庫(kù)的名稱。

測(cè)試可執(zhí)行程序main是否已經(jīng)鏈接的動(dòng)態(tài)庫(kù)libdynamic.so，如果列出了libdynamic.so，那么就說(shuō)明正常鏈接了?？梢詧?zhí)行以下命令：

ldd?main

如果運(yùn)行：

./main

出現(xiàn)錯(cuò)誤：

error?while?loading?shared?libraries:?libdynamic.so:?cannot?open?shared?object?file:?No?such?file?or?directory

錯(cuò)誤原因：

ld提示找不到庫(kù)文件，而庫(kù)文件就在當(dāng)前目錄中。

鏈接器ld默認(rèn)的目錄是/lib和/usr/lib，如果放在其他路徑也可以，需要讓ld知道庫(kù)文件在哪里。

解決方法1：

編輯/etc/ld.so.conf文件，在新的一行中加入庫(kù)文件所在目錄；比如筆者應(yīng)添加：/home/neu/code/Dynamic_library

sudo?ldconfig

目的是用ldconfig加載，以更新/etc/ld.so.cache文件。

靜態(tài)庫(kù)的編譯

就以以上代碼演示，最好把生成的動(dòng)態(tài)庫(kù)的東西全部刪掉。

編譯靜態(tài)庫(kù)

g++?-c?dynamic_a.cpp?dynamic_b.cpp?dynamic_c.cpp??

使用ar命令創(chuàng)建靜態(tài)庫(kù)文件（把目標(biāo)文檔歸檔）

ar?cr?libstatic.a?dynamic_a.o?dynamic_b.o?dynamic_c.o??//cr標(biāo)志告訴ar將object文件封裝(archive)

參數(shù)說(shuō)明：

  d 從指定的靜態(tài)庫(kù)文件中刪除文件 
  m 把文件移動(dòng)到指定的靜態(tài)庫(kù)文件中 
  p 把靜態(tài)庫(kù)文件中指定的文件輸出到標(biāo)準(zhǔn)輸出 
  q 快速地把文件追加到靜態(tài)庫(kù)文件中 
  r 把文件插入到靜態(tài)庫(kù)文件中 
  t 顯示靜態(tài)庫(kù)文件中文件的列表 
  x 從靜態(tài)庫(kù)文件中提取文件 
  a 把新的目標(biāo)文件(*.o)添加到靜態(tài)庫(kù)文件中現(xiàn)有文件之后

使用nm -s 命令來(lái)查看.a文件的內(nèi)容

nm?-s?libstatic.a?

鏈接靜態(tài)庫(kù)

g++?main.cpp?-lstatic?-L.?-static?-o?main//這里的-static選項(xiàng)是告訴編譯器,hello是靜態(tài)庫(kù)也可以用

//g++?main.cpp?-lstatic?-L.??-o?main?

執(zhí)行以下命令，因?yàn)楣P者還是用的動(dòng)態(tài)庫(kù)的代碼，所以結(jié)果一樣

./main

動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)

• 節(jié)省資源；
• 可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間資源共享；
• 更新、部署、發(fā)布簡(jiǎn)單；
• 可以控制動(dòng)態(tài)庫(kù)的加載時(shí)間（何時(shí)加載）；

關(guān)于第二點(diǎn)我們?cè)撊绾卫斫饽?？進(jìn)程間的資源共享就是說(shuō)，某個(gè)程序的在運(yùn)行中要調(diào)用某個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)的時(shí)候，操作系統(tǒng)首先會(huì)查看所有正在運(yùn)行的程序，看在內(nèi)存里是否已有此庫(kù)函數(shù)的拷貝了。如果有，則讓其共享那一個(gè)拷貝，只有沒(méi)有才鏈接載入。

這樣的模式雖然會(huì)帶來(lái)一些 “動(dòng)態(tài)鏈接” 額外的開銷，卻大大的節(jié)省了系統(tǒng)的內(nèi)存資源。C的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)就是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，也就是說(shuō)系統(tǒng)中所有運(yùn)行的程序共享著同一個(gè)C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的代碼段。

結(jié)語(yǔ)

我們?cè)诰帉懗绦虻臅r(shí)候，可以根據(jù)需求選擇什么時(shí)候或者什么情況下，鏈接載入哪個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)函數(shù)。你可以有一個(gè)相當(dāng)大的軟件，但每次運(yùn)行的時(shí)候，由于不同的操作需求，只有一小部分程序被載入內(nèi)存。

所有的函數(shù)本著 “有需求才調(diào)入” 的原則，于是大大節(jié)省了系統(tǒng)資源。比如現(xiàn)在的軟件通常都能打開若干種不同類型的文件，這些讀寫操作通常都用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

在一次運(yùn)行當(dāng)中，一般只有一種類型的文件將會(huì)被打開。所以直到程序知道文件的類型以后再載入相應(yīng)的讀寫函數(shù)，而不是一開始就將所有的讀寫函數(shù)都載入，然后才發(fā)覺(jué)在整個(gè)程序中根本沒(méi)有用到它們。

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