Window, Linux動態連結程式庫的分析對比

      摘 要：動態連結程式庫技術實現和設計程式常用的技術，在Windows和Linux系統中都有動態庫的概念，採用動態庫可以有效減少程式大小，節省空間的，提高 效率，增加程式的可擴充性，便於模組化管理。但不同作業系統的動態庫由于格式 不同，在需要不同作業系統調用時需要進行動態庫程式移植。本文分析和比較了 兩種作業系統動態庫技術，並給出了將Visual C 編製的動態庫移植到Linux上的方法和經驗。  

　　 1、引言  

　 　動態庫（Dynamic Link Library abbr，DLL）技術是程式設計中經常採用的技術。其目的減少程式的大小，節省空間的，提高效 率，具有很高的靈活性。採用動態庫技術對於升級軟體版本更加容易。與靜態庫（Static Link Library）不同，動態庫裡面的函數不是執行程 序本身的一部分，而是根據執行需要按需載入，其執行代碼可以同時在多個程式中共用。  

　　 在Windows和Linux作業系統 中， 都可採用這種方式進行軟體設計，但他們的調用方式以及程式編製方式不盡相同。本文首先分析了在這兩種作業系統中通常採用的動態庫調用方法以及程式編製方 式，然後分析比較了這兩種方式的不同之處，最後根據實際移植程式經驗，介紹了將VC 編製的Windows動態庫移植到Linux下的方法。  

　　 2、動態庫技術  

　　 2.1 Windows動態庫技術  

　 　動態連結程式庫是實現Windows應用程式共用資源、節省記憶體空間、提高使用效率的一個重要技術手段。常見的動態庫包含外部函數和資源，也有一些動態庫 只包含資源，如Windows字型資源檔案，稱之為資源動態連結程式庫。通常動態庫以.dll，.drv、.fon等作為尾碼。相應的windows靜態庫通 常以.lib結尾，Windows自己就將一些主要的系統功能以動態庫模組的形式實現。  

　　Windows動態庫在運行時被系統 加 載到進程的虛擬空間中，使用從調用進程的虛擬位址空間分配的記憶體，成為調用進程的一部分。DLL也只能被該進程的線程所訪問。DLL的控制代碼可以被調用進程 使用；調用進程的控制代碼可以被DLL使用。DLL模組中包含各種匯出函數，用於向外界提供服務。DLL可以有自己的資料區段，但沒有自己的堆棧，使用與調用它 的應用程式相同的堆棧模式；一個DLL在記憶體中只有一個執行個體；DLL實現了代碼封裝性；DLL的編製與具體的程式設計語言及編譯器無關，可以通過DLL來實現 混合語言編程。DLL函數中的代碼所建立的任何對象（包括變數）都歸調用它的線程或進程所有。  

　　根據調用方式的不同，對動態庫的調用可分為靜態調用方式和動態調用方式。  

　   (1)靜態調用，也稱為隱式調用，由編譯系統完成對DLL的載入和應用程式結束時DLL卸載的編碼（Windows系統負責對DLL調用次數的計 數），調用方式簡單，能夠滿足通常的要求。通常採用的調用方式是把產生動態串連庫時產生的.LIB檔案加入到應用程式的工程中，想使用DLL中的函數時， 只須在源檔案中聲明一下。 LIB檔案包含了每一個DLL匯出函數的符號名和可選擇的標識號以及DLL檔案名稱，不含有實際的代碼。Lib檔案包含的資訊進 入到產生的應用程式中，被調用的DLL檔案會在應用程式載入時同時載入在到記憶體中。  

　　(2)動態調用，即顯式調用方式，是由編程者用API函數載入和卸載DLL來達到調用DLL的目的，比較複雜，但能更加有效地使用記憶體，是編製大型應用程式時的重要方式。在Windows系統中，與動態庫調用有關的函數包括：  

　　 ①LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動態庫。  
　　 ②GetProcAddress，擷取要引入的函數，將符號名或標識號轉換為DLL內部地址。  
　　 ③FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動態連結程式庫。  

　 　 在windows中建立動態庫也非常方便和簡單。在Visual C 中，可以建立不用MFC而直接用C語言寫的DLL程式，也可以建立基於MFC類 庫的DLL程式。每一個DLL必須有一個進入點，在VC 中，DllMain是一個預設的入口函數。DllMain負責初始化 (Initialization)和結束(Termination)工作。動態庫輸出函數也有兩種約定，分別是基於呼叫慣例和名字修飾約定。DLL程式定 義的函數分為內建函式和匯出函數，動態庫匯出的函數供其它程式模組調用。通常可以有下面幾種方法匯出函數： 

       ①採用模組定義檔案的EXPORT部分指定要輸入的函數或者變數。  
　　 ②使用MFC提供的修飾符號_declspec(dllexport)。  
　　 ③以命令列方式，採用/EXPORT命令列輸出有關函數。  

　　 在windows動態庫中，有時需要編寫模組定義檔案(.DEF)，它是用於描述DLL屬性的模組語句組成的文字檔。  
2.2 Linux共用對象技術  

　

　 在Linux作業系統中，採用了很多共用對象技術（Shared Object），雖然它和Windows裡的動態庫相對應，但它並不稱為動態庫。相
應的共用對象檔案以.so作為尾碼，為了方便，在本文中，對該概念不進行專門區分。Linux系統的/lib以及標準圖形介面的/usr/X11R6
/lib等目錄裡面，就有許多以so結尾的共用對象。同樣，在Linux下，也有靜態函數庫這種調用方式，相應的尾碼以.a結束。Linux採用該共用對

象技術以方便程式間共用，節省程式佔有空間，增加程式的可擴充性和靈活性。Linux還可以通過LD-PRELOAD變數讓開發人員可以使用自己的程式庫
中的模組來替換系統模組。  

　　 同Windows系統一樣，在Linux中建立和使用動態庫是比較容易的事情，在編譯函數庫來源程式
時
加上-shared選項即可，這樣所產生的執行程式就是動態連結程式庫。通常這樣的程式以so為尾碼，在Linux動態庫程式設計過程中，通常流程是編寫使用者

的介面檔案，通常是.h檔案，編寫實際的函數檔案，以.c或.cpp為尾碼，再編寫makefile檔案。對於較小的動態庫程式可以不用如此，但這樣設計
使程式更加合理。  

　　 編譯產生動態串連庫後，進而可以在程式中進行調用。在Linux中，可以採用多種調用方式，同
Windows
的系統目錄(..\system32等)一樣，可以將動態庫檔案拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄裡面建立符號串連，以便所有使用者使用。下面介紹
Linux調用動態庫經常使用的函數，但在使用動態庫時，來源程式必須包含dlfcn.h標頭檔，該檔案定義調用動態連結程式庫的函數的原型。  

　　 (1)_開啟動態連結程式庫：dlopen，函數原型void *dlopen (const char *filename, int flag);  
dlopen用於開啟指定名字(filename)的動態連結程式庫，並返回操作控制代碼。  

　　 (2)取函數執行地址：dlsym，函數原型為: void *dlsym(void *handle, char *symbol);  
dlsym根據動態連結程式庫操作控制代碼(handle)與符號(symbol)，返回符號對應的函數的執行代碼地址。  

　　 (3)關閉動態連結程式庫：dlclose，函數原型為: int dlclose (void *handle);  
dlclose用於關閉指定控制代碼的動態連結程式庫，只有當此動態連結程式庫的使用計數為0時,才會真正被系統卸載。  

　　 (4)動態庫錯誤函數：dlerror，函數原型為: const char *dlerror(void); 當動態連結程式庫操作函數執行失敗時，dlerror可以返回出錯資訊，傳回值為NULL時表示操作函數執行成功。  

　　 在取到函數執行地址後，就可以在動態庫的使用程式裡面根據動態庫提供的函數介面聲明調用動態庫裡面的函數。在編寫調用動態庫的程式的makefile檔案時，需要加入編譯選項-rdynamic和-ldl。  

　

　 除了採用這種方式編寫和調用動態庫之外，Linux作業系統也提供了一種更為方便的動態庫調用方式，也方便了其它程式調用，這種方式與Windows

系統的隱式連結類似。其動態庫命名方式為“lib*.so.*”。在這個命名方式中，第一個*表示動態連結程式庫的庫名，第二個*通常表示該動態庫的版本號碼，

也可以沒有版本號碼。在這種調用方式中，需要維護動態連結程式庫的設定檔/etc/ld.so.conf來讓動態連結程式庫為系統所使用，通常將動態連結程式庫所在目

錄名追加到動態連結程式庫設定檔中。如具有X window視窗系統發行版該檔案中都具有/usr/X11R6/lib，它指向X window視窗系統的
動態連結程式庫所在目錄。為了使動態連結程式庫能為系統所共用，還需運行動態連結程式庫的管理命令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動態庫時，可以在
gcc採用 ?l或-L選項或直接引用所需的動態連結程式庫方式進行編譯。在Linux裡面，可以採用ldd命令來檢查程式依賴共用庫。 

       3、兩種系統動態庫比較分析  

　　 Windows和Linux採用動態連結程式庫技術目的是基本一致的，但由於作業系統的不同，他們在許多方面還是不盡相同，下面從以下幾個方面進行闡述。  

　

　 (1)動態庫程式編寫，在Windows系統下的執行檔案格式是PE格式，動態庫需要一個DllMain函數作為初始化的人口，通常在匯出函數的聲明

時需要有_declspec(dllexport)關鍵字。Linux下的gcc編譯的執行檔案預設是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要到函數做特
別聲明，編寫比較方便。  

　　 (2)動態庫編譯，在windows系統下面，有方便的調試編譯環境，通常不用自己去編寫
makefile檔案，但在linux下面，需要自己動手去編寫makefile檔案，因此，必須掌握一定的makefile編寫技巧，另外，通常
Linux編譯規則相對嚴格。  

　　 (3)動態庫調用方面，Windows和Linux對其下編製的動態庫都可以採用顯式調用或隱式調用，但具體的調用方式也不盡相同。  

　

　 (4)動態庫輸出函數查看，在Windows中，有許多工具和軟體可以進行查看DLL中所輸出的函數，例如命令列方式的dumpbin以及VC 工具
中的DEPENDS程式。在Linux系統中通常採用nm來查看輸出函數，也可以使用ldd查看程式隱式連結的共用對象檔案。  

　　 (5)對作業系統的依賴，這兩種動態庫運行依賴於各自的作業系統，不能跨平台使用。因此，對於實現相同功能的動態庫，必須為兩種不同的作業系統提供不同的動態庫版本。 

       4、動態庫移植方法  

　

　 如果要編製在兩個系統中都能使用的動態連結程式庫，通常會先選擇在Windows的VC 提供的調試環境中完成初始的開發，畢竟VC 提供的圖形化編輯和

調試介面比vi和gcc方便許多。完成測試之後，再進行動態庫的程式移植。通常gcc預設的編譯規則比VC 預設的編譯規則嚴格，即使在VC 下面沒有任
何警告錯誤的程式在gcc調試中也會出現許多警告錯誤，可以在gcc中採用-w選項關閉警告錯誤。  

　　 下面給出程式移植需要遵循的規則以及經驗。  

　
　 (1)盡量不要改變原有動態庫標頭檔的順序。通常在C/C 語言中，標頭檔的順序有相當的關係。另外雖然C/C 語言區分大小寫，但在包含標頭檔
時，Linux必須與標頭檔的大小寫相同，因為ext2檔案系統對檔案名稱是大小寫敏感，否則不能正確編譯，而在Windows下面，標頭檔大小寫可以正確
編譯。  

　　 (2)不同系統專屬的標頭檔。在Windows系統中，通常會包括windows.h標頭檔，如果調用底層的通訊函
數，
則會包含winsock..h標頭檔。因此在移植到Linux系統時，要注釋掉這些Windows系統專屬的標頭檔以及一些windows系統的常量定義
說明，增加Linux都底層通訊的支援的標頭檔等。  

　　 (3)資料類型。VC 具有許多專屬的資料類型，如
__int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支援它們。通常做法是需要將windows.h和basetypes.h中對
這些資料進行定義的語句複製到一個標頭檔中，再在Linux中包含這個標頭檔。例如將通訊端的類型為SOCKET改為int。  

　　 (4)關鍵字。VC 中具有許多標準C中所沒有採用的關鍵字，如BOOL，BYTE，DWORD，__asm等，通常在為了移植方便，盡量不使用它們，如果實在無法避免可以採用#ifdef 和#endif為LINUX和WINDOWS編寫兩個版本。  
　

　 (5)函數原型的修改。通常如果採用標準的C/C 語言編寫的動態庫，基本上不用再重新編寫函數，但對於系統調用函數，由於兩種系統的區別，需要改變

函數的調用方式等，如在Linux編製的網路通訊動態庫中，用close()函數代替windows作業系統下的closesocket()函數來關閉套
接字。另外在Linux下沒有檔案控制代碼，要開啟檔案可用open和fopen函數，具體這兩個函數的用法可參考文獻[2]。  

　　
 (6)makefile的編寫。在windows下面通常由VC 編譯器來負責調試，但gcc需要自己動手編寫makefile檔案，也可以參照
VC 產生的makefile檔案。對於動態庫移植，編譯動態庫時需要加入-shared選項。對於採用數學函數，如冪級數的程式，在調用動態庫是，需要
加入-lm。  

　　 (7)其它一些需要注意的地方  

　　 ①程式設計結構分析，對於移植它人編寫的動態庫程式，程式結構分析是必不可少的步驟，通常在動態庫程式中，不會包含介面等操作，所以相對容易一些。  
　　 ②在Linux中，對檔案或目錄的許可權分為擁有者、群組、其它。所以在存取檔案時，要注意對檔案是讀還是寫操作，如果是對檔案進行寫操作，要注意修改檔案或目錄的許可權，否則無法對檔案進行寫。  
　

　 ③指標的使用，定義一個指標只給它分配四個位元組的記憶體，如果要對指標所指向的變數賦值，必須用malloc函數為它分配記憶體或不把它定義為指標而定義
為變數即可，這點在linux下面比windows編譯嚴格。同樣結構不能在函數中傳值，如果要在函數中進行結構傳值，必須把函數中的結構定義為結構指
針。  
　　 ④路徑標識符，在Linux下是“/”，在Windows下是“\”，注意windows和Linux的對動態庫搜尋路徑的不同。 
　　 ⑤編程和調試技巧方面。對不同的調試環境有不同的調試技巧，在這裡不多敘述。  

　　 5、結束語  

　

　 本文系統分析了windows和Linux動態庫實現和使用方式，從程式編寫、編譯、調用以及對作業系統依賴等方面綜合分析比較了這兩種調用方式的不

同之處，根據實際程式移植經驗，給出了將VC 編製的Windows動態庫移植到Linux下的方法以及需要注意的問題，同時並給出了程式樣本片斷，實際
在程式移植過程中，由於系統的設計等方面，可能移植起來需要注意的方面遠比上面複雜，本文通過總結歸納進而為不同作業系統程式移植提供了有意的經驗和技
巧。