【Linux进阶之路】动静态库

回顾

  前面在gcc与g++的使用中，我们简单的介绍了动态库与静态库的各自的优点与区别：

1. 动态链接库，也就是所有的程序公用一份代码,虽然方便省空间，但是一旦链接库被删，那么所有的程序将无法运行！
2. 静态链接库，就是所有程序都拷贝一份代码自己用，这样虽然库删除之后会正常运行，但是会使代码的空间异常的大，通常在几十倍到几百倍左右。

• 详见——基本开发工具

 那么今天就让我们通过动静态库的制作过程与基本原理，进而更深一步了解动静态库吧！

一. 静态库

1.代码传递的方式

• 我们要想让别人使用我们写的代码，有两种方式：

1. 将源文件与头文件直接发给别人。
2. 将源文件打包成的库与头文件发给别人。

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区别：

1. 第一种相当于把实现方法直接发给别人，别人可以进行抄袭与学习以及使用，几乎是把自己的劳动成果（实现方法）拱手让人。
2. 第二种相当于只把说明书（头文件）发送给了别人，由于打包成了库，因此实现方式别人看不到，只能进行使用。

• 总结：类比商品，假如你买了个电脑，第一种是只附带有说明书，外加实现的具体方法。第二种是只附带了说明书。因此买的电脑如果是第一种，电脑用坏了，可以自己修，甚至可以自己再造出一台电脑。如果是第二种，用坏了，自己还得去找人家花钱修。
• 重点：不管哪种方式，头文件必不可少！因为头文件是一份使用说明书，一些具体的使用细节都在头文件中。而且在代码中包含头文件才能用里面的接口。如果不这样使用方式及其麻烦。

2.简易制作

• 源文件

#include"mymath.h"
int myerrno = 0;
int add(int x,int y)
{return x + y;
}
int sub(int x,int y)
{return x - y;
}
int product(int x,int y)
{return x * y;
}
int div(int x,int y)
{if(y == 0){myerrno = 1;return -1;}return x / y;
}

• 头文件

//存放的是函数与变量的声明
extern int myerrno;
int add(int x,int y);
int sub(int x,int y);
int product(int x,int y);
int div(int x,int y);

说明：静态库的名称格式为——libXXX.a

生成静态库的指令：

argc -rc [静态库的名称] [要生成静态库的目标文件]

• Makefile

#定义静态库变量的名称
lib=libmymath.a
#目标文件生成静态库, $(lib)为变量
$(lib):mymath.oar -rc $@ $^
#生成目标文件	
mymath.o:mymath.cgcc -c $^
#清理文件
.PHONY:clean
clean:rm -rf *.a *.o mylib
#将生成的静态库进行打包
.PHONY:output
output:mkdir -p mylib/includemkdir -p mylib/mymathlibcp *.a mylib/mymathlibcp *.h mylib/include

1. make 生成 静态库与.o文件

2. make output将静态库与头文件进行拷贝打包

3. make clean 将多余的文件进行清理

此时我们的静态库就打包好了，下面我们另起文件进行使用。

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与mylib同目录下编写test.c

#include"mymath.h"
#include<stdio.h>
int main()
{printf("myerrno:%d 1 + 0 = %d\n",myerrno,add(1,0));printf("myerrno:%d 1 - 0 = %d\n",myerrno,sub(1,0));printf("myerrno:%d 1 * 0 = %d\n",myerrno,product(1,0));printf("myerrno:%d 1 / 0 = %d\n",myerrno,div(1,0));return 0;
}

我们编译一下：

• 可见我们所包含的头文件不在当前目录与默认路径（usr/include），因此找不到。

因此我们需要告诉编译器，去哪找。

gcc test.c -I ./mylib/include

因为头文件已包含文件名，因此不用再说明。

• 可见我们函数定义还没有包含，因此找不到定义

因此我们需要告诉编译器，去哪找库。

gcc test.c -I ./mylib/include -L ./mylib/mymathlib/

• 可见因为库名字未知且一个目录下可能有多个库，因此我们还找不到定义。

因此我们需要告诉编译器，库名字（库真实的名字为去掉后缀.a 与前缀 lib）。

 gcc test.c -I ./mylib/include -L ./mylib/mymathlib/ -l mymath

• 总结

1. -I(大写 i) 指定头文件的路径
2. -L指定库所在路径
3. -l(小写 L) 指定库的名称。且库的名称是去掉 lib 与 .a后缀。

3.原理

1. 时间：在预处理，编译，反汇编，生成.o（可重定向目标二进制文件）之后。
2. 动作：将静态库里面的内容，拷贝, 与.o文件一起链接生成的.exe文件。

• 说明：链接进行段表的合并，符号表的重新定位，其中段表的合并是把有效信息筛选无效信息删除，符号表的重新定位指的时检查代码是否正确，比如函数与某些全局变量的地址是否是有效的。

二. 动态库

1.简易制作

我们还是用之前的代码（将myerrno删了)。

两个关键动作：

1. 生成.o文件并生成位置无关码

	gcc -FPIC -c mymath.o

2. 生成动态库

	gcc -shared -o libmymath.so mymath.o

• Makefile

lib=libmymath.so$(lib):mymath.ogcc -shared -o $@ $^mymath.o:mymath.cgcc -FPIC -c $^ .PHONY:cleanclean:rm -rf *.a *.so *.o .PHONY:outputoutput:mkdir -p lib/includemkdir -p lib/mymathlibcp *.so lib/mymathlibcp *.h lib/include

1. make生成动态库与.o文件
   

2. make output 动态库与.h文件进行打包
   

3. make clean 删除冗余的动态库文件与.o文件
   

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同理，我们使用一下库，验证一下。

• test.c

#include"mymath.h"
#include<stdio.h>int main()
{printf("1 + 1 == %d\n",add(1,1));printf("1 - 1 == %d\n",sub(1,1));printf("1 * 1 == %d\n",product(1,1));printf("1 / 1 == %d\n",div(1,1));return 0;
}

同理我们直接使用之前静态库的结论进行编译链接。

gcc -o test test.c -I lib/include/ -L /lib/mymathlib/ -l mymath

补充： ldd 【可执行文件】 #显示与可执行文件链接的

• 可见在生成可执行程序是没问题的，但是显示无法打开这个共享文件对象，这是问什么呢？

解释：

1. 在动态链接时，我们是在可执行程序变成进程运行的同时，链接到对应库当中，其中库是文件，需要打开才能被链接。
2. 因此需要让加载器去指定的路径下打开文件，才能使用动态库。

• 注意：前面的gcc 只是让编译器解决了如何找的问题，如何让加载器打开还没有解决。其次静态链接因为是直接拷贝，因此无需关心打开的问题。

因此：我们需要将让编译器想办法在默认路径下打开库文件。

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1. 直接拷贝到默认路径（最常用）
   

• 可见是链接成功的，可执行程序也能正常的执行，不过因为要拷贝到系统的路径下，所以我们需要sudo 进行提权。

2. 在默认路径下建立对应静态库的软链接
   

• 与第一种方式同理，唯一需要说明的是对不在同一目录下建立软链接，需要使用绝对路径，而不是相对路径。

3. 修改环境变量LD_LIBRARY_PATH(可能会没有)
   

• 说明：只需要后跟:与动态库所在的路径即可。至于名称我们在链接形成可执行程序时，已经知道了。
• 注意：这里环境变量在重启时，就没有了，这是比较恶心的一点。

4. 添加配置文件

1. su / su - 切换到root用户
2. 进入 /etc/ld.so.conf.d/
3. 添加一个.conf结尾的任意名称的文件
4. vim 此文件，切换到 Insert模式，添加动态库的路径，保存并退出。
5. 使用 ldconfig更新此配置文件。

• 图解：
• 验证：

2.基本原理

 先来铺垫一下，我们编译器与链接器处理代码的过程：

1. 预处理，完成头文件的替换，条件编译中代码的裁剪，宏的替换等。
2. 预编译，完成对语义分析，词法分析，语法分析，符号汇总等，检查语法错误，最终转换为汇编代码。
3. 汇编，完成符号表与段表的生成，并将代码转换为二进制代码。
4. 链接，完成符号表的重定位，与段表的合并，并生成可执行程序。

那可执行程序里面存放的是什么呢？

我们反汇编一下：

objdump -S [可执行程序]

• 可见是一些指令级别的东西，这里我们或许还能勉强看懂一些汇编，里面还存放着地址。
• 因此我们可以从中得知，可执行程序在还没有被加载时就已经存在地址了。

那么问题来了，这里的地址是物理地址还是虚拟地址？

• 肯定是虚拟地址，是要给进程地址空间使用的，物理地址是操作系统在程序加载之后申请的。

这是编译的结论，接下来我们的程序是如何加载到内存当中的呢？

 我们先就可执行程序来进行讨论，我们编译好的可执行程序是在磁盘当中的，在加载时必然要被加载到内存当中。

 对于操作系统来说可执行程序在加载时必然要变为进程，之前我们已经了解过进程是 PCB数据结构， 以及代码和数据。 其中PCB在Linux中为stuct tasks_struct 包含着 页表， 进程地址空间（struct mm_struct） 管理文件的(struct files_struct)等对象。

 那在程序加载时，必然要先形成进程，代码和数据可以后面用时再加载。那进程的地址空间首先要先加载，才能保证后续的正常运行。

至于进程的地址空间的加载，我们用图辅助理解：

• 代码在进行加载时，通过页表其指令在进程地址空间中是虚拟地址，也就是编译生成的地址，而实际执行指令的物理地址在加载时就通过页表进行填充。这样进程便可通过指令的虚拟地址通过页表获取到指令的物理地址，进而执行指令。
• 除此之外，加载时，要想找到可执行程序，还得进程的exe，即可执行程序的路径。这种信息在进程加载时即可进行获取。

 代码现在成功加载到内存中了，那指令是如何运行的呢？

首先万事开头难，如何读取到程序的第一行指令很关键，因此会设置程序入口地址以便接下来的执行。

其次CPU首先通过指令寄存器拿到指令的虚拟地址，然后通过页表进行映射，成物理地址，然后根据指令的具体信息，进行执行，然后接着执行下一句代码，如此循环往复。

• 说明：在加载中，程序指令原本的虚拟地址在内存中变为了物理地址，而原来的虚拟地址则给了进程地址空间，这样才讲的通。

其次数据我们可以在需要时加载，在加载时，触发缺页中断，让操作系统将页表进行填充即可。

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代码与数据如何加载我们已经讲的差不多了，那动态库是如何加载的呢？

• 在这之前我们已经达成了共识，动态库是共享库，即多个进程都可以使用。

那么便可大致画出：

• 可见动态库是在加载过程中与进程产生链接的。

那链接到进程地址空间的什么位置呢？

• 进程地址空间的共享区，这个共享区很大，足够跟多个动态库进行链接。

既然在可能有多个共享库进行链接，那么如何进行链接,才能保证能找到指定的共享库呢？

1. 我们可以采用起始地址 + 偏移量的方式，从而使函数在在找库时，只需知道偏移量即可。
2. 偏移量的设定与动态库生成中的位置无关码有关。

• 拓展：在进行链接时，动态库也可能会产生缺页中断的现象，即用时再进行加载。

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补充：

1. 第三方库，即自己写的库，在进行链接时，必须要指定库名字！
2. 如果一个库的方法实现有动态库，也有静态库，那么默认优先加载动态库。

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• 总结

1. 静态库的原理与简易制作。
2. 动态库的原理与简易制作。
3. 动态库加载的原理，进程地址空间程序的加载。

尾序

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