Linux靜態庫和動態庫

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1.什麼是庫
在windows平台和linux平台下都大量存在著庫。
本質上來說庫是一種可執行代碼的二進位形式，可以被作業系統載入記憶體執行。
由於windows和linux的本質不同，因此二者庫的二進位是不相容的。
本文僅限於介紹linux下的庫。

2.庫的種類
linux下的庫有兩種：靜態庫和共用庫（動態庫）。
二者的不同點在於代碼被載入的時刻不同。
靜態庫的代碼在編譯過程中已經被載入可執行程式，因此體積較大。
共用庫的代碼是在可執行程式運行時才載入記憶體的，在編譯過程中僅簡單的引用，因此代碼體積較小。

3.庫存在的意義
庫是別人寫好的現有的，成熟的，可以複用的代碼，你可以使用但要記得遵守許可協議。
現實中每個程式都要依賴很多基礎的底層庫，不可能每個人的代碼都從零開始，因此庫的存在意義非同尋常。
共用庫的好處是，不同的應用程式如果調用相同的庫，那麼在記憶體裡只需要有一份該共用庫的執行個體。

4.庫檔案是如何產生的在linux下
靜態庫的尾碼是.a，它的產生分兩步
Step 1.由源檔案編譯產生一堆.o，每個.o裡都包含這個編譯單元的符號表
Step 2.ar命令將很多.o轉換成.a，成文靜態庫
動態庫的尾碼是.so，它由gcc加特定參數編譯產生。
例如:
$ gcc -fPIC -c *.c $ gcc -shared -Wl,-soname, libfoo.so.1 -o libfoo.so.1.0 *.

5.庫檔案是如何命名的，有沒有什麼規範
在linux下，庫檔案一般放在/usr/lib /lib下，
靜態庫的名字一般為libxxxx.a，其中xxxx是該lib的名稱
動態庫的名字一般為libxxxx.so.major.minor，xxxx是該lib的名稱，major是主要版本號， minor是副版本號碼

6.如何知道一個可執行程式依賴哪些庫
ldd命令可以查看一個可執行程式依賴的共用庫，
例如# ldd /bin/lnlibc.so.6
=> /lib/libc.so.6 (0×40021000)/lib/ld-linux.so.2
=> /lib/ld- linux.so.2 (0×40000000)
可以看到ln命令依賴於libc庫和ld-linux庫

7.可執行程式在執行的時候如何定位共用庫檔案
當系統載入可執行代碼時候，能夠知道其所依賴的庫的名字，但是還需要知道絕對路徑
此時就需要系統動態載入器(dynamic linker/loader)
對於elf格式的可執行程式，是由ld-linux.so*來完成的，它先後搜尋elf檔案的 DT_RPATH段—環境變數LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache檔案清單—/lib/,/usr/lib目錄找到庫檔案後將其載入記憶體

8.在新安裝一個庫之後如何讓系統能夠找到他
如果安裝在/lib或者/usr/lib下，那麼ld預設能夠找到，無需其他動作。
如果安裝在其他目錄，需要將其添加到/etc/ld.so.cache檔案中，步驟如下
1.編輯/etc/ld.so.conf檔案，加入庫檔案所在目錄的路徑
2.運行ldconfig，該命令會重建/etc/ld.so.cache檔案

我們通常把一些公用函數製作成函數庫，供其它程式使用。函數庫分為靜態庫和動態庫兩種。靜態庫在程式編譯時間會被串連到目標代碼中，程式運行時將不再需要該靜態庫。動態庫在程式編譯時間並不會被串連到目標代碼中，而是在程式運行是才被載入，因此在程式運行時還需要動態庫存在。本文主要通過舉例來說明在Linux中如何建立靜態庫和動態庫，以及使用它們。在建立函數庫前，我們先來準備舉例用的來源程式，並將函數庫的來源程式編譯成.o檔案。

第1步：編輯得到舉例的程式--hello.h、hello.c和main.c；

hello.h(見程式1)為該函數庫的標頭檔。

hello.c(見程式2)是函數庫的來源程式，其中包含公用函數hello，該函數將在螢幕上輸出"Hello XXX!"。

main.c(見程式3)為測試庫檔案的主程式，在主程式中調用了公用函數hello。

 

 程式1: hello.h

 #ifndef HELLO_H
 #define HELLO_H
 
 void hello(const char *name);
 
 #endif //HELLO_H

 

 

 程式2: hello.c

 #include <stdio.h>
 
 void hello(const char *name)
 {
  printf("Hello %s!\n", name);
 }

 

 

  程式3: main.c
 #include "hello.h"
 
 int main()
 {
  hello("everyone");
  return 0;
 }

 

 

第2步：將hello.c編譯成.o檔案；

無論靜態庫，還是動態庫，都是由.o檔案建立的。因此，我們必須將來源程式hello.c通過gcc先編譯成.o檔案。

在系統提示符下鍵入以下命令得到hello.o檔案。

# gcc -c hello.c

#

(注1：本文不介紹各命令使用和其參數功能，若希望詳細瞭解它們，請參考其他文檔。)

(注2：首字元"#"是系統提示符，不需要鍵入，下文相同。)

我們運行ls命令看看是否生存了hello.o檔案。

# ls

hello.c hello.h hello.o main.c

#

(注3：首字元不是"#"為系統運行結果，下文相同。)

在ls命令結果中，我們看到了hello.o檔案，本步操作完成。

下面我們先來看看如何建立靜態庫，以及使用它。

 

第3步：由.o檔案建立靜態庫；

靜態庫檔案名稱的命名規範是以lib為首碼，緊接著跟靜態庫名，副檔名為.a。例如：我們將建立的靜態庫名為myhello，則靜態庫檔案名稱就是libmyhello.a。在建立和使用靜態庫時，需要注意這點。建立靜態庫用ar命令。

在系統提示符下鍵入以下命令將建立靜態庫檔案libmyhello.a。

# ar cr libmyhello.a hello.o

#

我們同樣運行ls命令查看結果：

# ls

hello.c hello.h hello.o libmyhello.a main.c

#

ls命令結果中有libmyhello.a。

 

第4步：在程式中使用靜態庫；

靜態庫製作完了，如何使用它內部的函數呢？只需要在使用到這些公用函數的來源程式中包含這些公用函數的原型聲明，然後在用gcc命令產生目標檔案時指明靜態庫名，gcc將會從靜態庫中將公用函數串連到目標檔案中。注意，gcc會在靜態庫名前加上首碼lib，然後追加副檔名.a得到的靜態庫檔案名稱來尋找靜態庫檔案。

在程式3:main.c中，我們包含了靜態庫的標頭檔hello.h，然後在主程式main中直接調用公用函數hello。下面先產生目標程式hello，然後運行hello程式看看結果如何。

# gcc -o hello main.c -L. -lmyhello

# ./hello

Hello everyone!

#

我們刪除靜態庫檔案試試公用函數hello是否真的串連到目標檔案 hello中了。

# rm libmyhello.a

rm: remove regular file `libmyhello.a'? y

# ./hello

Hello everyone!

#

程式照常運行，靜態庫中的公用函數已經串連到目標檔案中了。

我們繼續看看如何在Linux中建立動態庫。我們還是從.o檔案開始。

 

第5步：由.o檔案建立動態庫檔案；

動態庫檔案名稱命名規範和靜態庫檔案名稱命名規範類似，也是在動態庫名增加首碼lib，但其副檔名為.so。例如：我們將建立的動態庫名為myhello，則動態庫檔案名稱就是libmyhello.so。用gcc來建立動態庫。

在系統提示符下鍵入以下命令得到動態庫檔案libmyhello.so。

# gcc -shared -fPCI -o libmyhello.so hello.o

#

我們照樣使用ls命令看看動態庫檔案是否產生。

# ls

hello.c hello.h hello.o libmyhello.so main.c

#

 

第6步：在程式中使用動態庫；

在程式中使用動態庫和使用靜態庫完全一樣，也是在使用到這些公用函數的來源程式中包含這些公用函數的原型聲明，然後在用gcc命令產生目標檔案時指明動態庫名進行編譯。我們先運行gcc命令產生目標檔案，再運行它看看結果。

# gcc -o hello main.c -L. -lmyhello

# ./hello

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

#

哦！出錯了。快看看錯誤提示，原來是找不到動態庫檔案libmyhello.so。程式在運行時，會在/usr/lib和/lib等目錄中尋找需要的動態庫檔案。若找到，則載入動態庫，否則將提示類似上述錯誤而終止程式運行。我們將檔案libmyhello.so複製到目錄/usr/lib中，再試試。

# mv libmyhello.so /usr/lib

# ./hello

./hello: error while loading shared libraries: /usr/lib/libhello.so: cannot restore segment prot after reloc: Permission denied
由於SELinux引起，

# chcon -t texrel_shlib_t /usr/lib/libhello.so

# ./hello

Hello everyone!

#

成功了。這也進一步說明了動態庫在程式運行時是需要的。

我們回過頭看看，發現使用靜態庫和使用動態庫編譯成目標程式使用的gcc命令完全一樣，那當靜態庫和動態庫同名時，gcc命令會使用哪個庫檔案呢？抱著對問題必究到底的心情，來試試看。

先刪除 除.c和.h外的 所有檔案，恢複成我們剛剛編輯完舉常式序狀態。

# rm -f hello hello.o /usr/lib/libmyhello.so

# ls

hello.c hello.h main.c

#

在來建立靜態庫檔案libmyhello.a和動態庫檔案libmyhello.so。

# gcc -c hello.c

# ar cr libmyhello.a hello.o

# gcc -shared -fPCI -o libmyhello.so hello.o

# ls

hello.c hello.h hello.o libmyhello.a libmyhello.so main.c

#

通過上述最後一條ls命令，可以發現靜態庫檔案libmyhello.a和動態庫檔案libmyhello.so都已經產生，並都在目前的目錄中。然後，我們運行gcc命令來使用函數庫myhello產生目標檔案hello，並運行程式 hello。

# gcc -o hello main.c -L. -lmyhello

# ./hello

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

#

從程式hello啟動並執行結果中很容易知道，當靜態庫和動態庫同名時， gcc命令將優先使用動態庫。

基本概念

 

庫有動態與靜態兩種，動態通常用.so為尾碼，靜態用.a為尾碼。

 

例如：libhello.so libhello.a 為了在同一系統中使用不同版本的庫，可以在庫檔案名稱後加上版本號碼為尾碼,例如： libhello.so.1.0,由於程式串連預設以.so為檔案尾碼名。所以為了使用這些庫，通常使用建立符號串連的方式。

ln -s libhello.so.1.0 libhello.so.1

ln -s libhello.so.1 libhello.so

1、使用庫

 

當要使用靜態程式庫時，連接器會找出程式所需的函數，然後將它們拷貝到執行檔案，由於這種拷貝是完整的，所以一旦串連成功，靜態程式庫也就不再需要了。然 而，對動態庫而言，就不是這樣。動態庫會在執行程式內留下一個標記指明當程式執行時，首先必須載入這個庫。由於動態庫節省空間的，linux下進行串連的預設操作是首先串連動態庫，也就是說，如果同時存在靜態和動態庫，不特別指定的話，將與動態庫相串連。 現在假設有一個叫hello的程式開發包，它提供一個靜態庫libhello.a 一個動態庫libhello.so,一個標頭檔hello.h,標頭檔中提供sayhello()這個函數 /* hello.h */ void sayhello(); 另外還有一些說明文檔。

 

這一個典型的程式開發包結構 與動態庫串連 linux預設的就是與動態庫串連，下面這段程式testlib.c使用hello庫中的sayhello()函數

 

/*testlib.c*/

 

#include <>

 

#include <>

 

int main()

{

   sayhello();

   return 0;

}

 

使用如下命令進行編譯 $gcc -c testlib.c -o testlib.o

 

用如下命令串連： $gcc testlib.o -lhello -o testlib

 

串連時要注意，假設libhello.o 和libhello.a都在預設的庫搜尋路徑下/usr/lib下，如果在其它位置要加上-L參數 與與靜態庫串連麻煩一些，主要是參數問題。還是上面的例子：

$gcc testlib.o -o testlib -WI,-Bstatic -lhello

註：這個特別的"-WI，-Bstatic"參數，實際上是傳給了連接器ld。指示它與靜態庫串連，如果系統中只有靜態庫當然就不需要這個參數了。 如果要和多個庫相串連，而每個庫的串連方式不一樣，比如上面的程式既要和libhello進行靜態串連，又要和libbye進行動態串連，其命令應為：

$gcc testlib.o -o testlib -WI,-Bstatic -lhello -WI,-Bdynamic -lbye

 

 

2、動態庫的路徑問題 為了讓執行程式順利找到動態庫，有三種方法：

 

(1)把庫拷貝到/usr/lib和/lib目錄下。

 

(2)在LD_LIBRARY_PATH環境變數中加上庫所在路徑。

例如動態庫libhello.so在/home/ting/lib目錄下，以bash為例，使用命令：

$export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/ting/lib

 

(3) 修改/etc/ld.so.conf檔案，把庫所在的路徑加到檔案末尾，並執行ldconfig重新整理。這樣，加入的目錄下的所有庫檔案都可見。

 

3、查看庫中的符號

 

有時候可能需要查看一個庫中到底有哪些函數，nm命令可以列印出庫中的涉及到的所有符號。庫既可以是靜態也可以是動態。nm列出的符號有很多，常見的有三種：

一種是在庫中被調用，但並沒有在庫中定義(表明需要其他庫支援)，用U表示；

一種是庫中定義的函數，用T表示，這是最常見的；

另外一種是所謂的“弱 態”符號，它們雖然在庫中被定義，但是可能被其他庫中的同名符號覆蓋，用W表示。

例如，假設開發人員希望知道上文提到的hello庫中是否定義了 printf():

 

$nm libhello.so |grep printf U

 

其中printf U表示符號printf被引用，但是並沒有在函數內定義，由此可以推斷，要正常使用hello庫，必須有其它庫支援，再使用ldd命令查看hello依賴於哪些庫：

 

$ldd hello libc.so.6=>/lib/libc.so.6(0x400la000) /lib/ld-linux.so.2=>/lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)

從上面的結果可以繼續查看printf最終在哪裡被定義，有興趣可以go on

 

 

 

4、產生庫

 

第一步要把原始碼編繹成目標代碼。

以下面的代碼為例，產生上面用到的hello庫：

 /* hello.c */

#include <> 

void sayhello()

{

  printf("hello,world ");

}

用gcc編繹該檔案，在編繹時可以使用任何全法的編繹參數，例如-g加入調試代碼等： gcc -c hello.c -o hello.o

(1)串連成靜態庫 串連成靜態庫使用ar命令，其實ar是archive的意思

 $ar cqs libhello.a hello.o

(2)串連成動態庫 產生動態庫用gcc來完成，由於可能存在多個版本，因此通常指定版本號碼：

$gcc -shared -Wl,-soname,libhello.so.1 -o libhello.so.1.0 hello.o

另外再建立兩個符號串連：

$ln -s libhello.so.1.0 libhello.so.1

$ln -s libhello.so.1 libhello.so

這樣一個libhello的動態串連庫就產生了。最重要的是傳gcc -shared 參數使其產生是動態庫而不是普通執行程式。 -Wl 表示後面的參數也就是-soname,libhello.so.1直接傳給連接器ld進行處理。實際上，每一個庫都有一個soname，當連接器發現它正在尋找的程式庫中有這樣一個名稱，連接器便會將soname嵌入連結中的二進位檔案內，而不是它正在啟動並執行實際檔案名稱，在程式執行期間，程式會尋找擁有 soname名字的檔案，而不是庫的檔案名稱，換句話說，soname是庫的區分標誌。 這樣做的目的主要是允許系統中多個版本的庫檔案共存，習慣上在命名庫檔案的時候通常與soname相同 libxxxx.so.major.minor 其中，xxxx是庫的名字，major是主要版本號，minor 是次版本號碼