静态库和动态库

1、编译过程

1.预处理：解释并展开源程序当中的所有的预处理指令，此时生成 *.i 文件。

2.编译：词法和语法的分析，生成对应硬件平台的汇编语言文件，此时生成 *.s 文件。

3.汇编：将汇编语言文件翻译为对应处理器的二进制机器码，此时生成 *.o 文件。

4.链接：将多个 *.o 文件合并成一个不带后缀的可执行文件。

gec@ubuntu:~$ gcc hello.c -o hello.i -E
gec@ubuntu:~$ gcc hello.i -o hello.s -S
gec@ubuntu:~$ gcc hello.s -o hello.o -c
gec@ubuntu:~$ gcc hello.o -o hello -lc

gcc hello.c  -o  hello

2.ELF格式

2.1概述

对于上述编译过程，重点关注最后一步库文件的链接（gcc hello.o -o hello -lc）：链接实际上是将多个.o文件合并在一起的过程。这些 *.o 文件合并前是 ELF 格式，合并后也是 ELF 格式。

ELF全称是 Executable and Linkable Format，即可执行可链接格式。ELF文件由多个不同的段（section）组成，如下图所示：

ELF格式的合并，实际上就是将多个文件中各自对应的段合并在一起，形成一个统一的ELF文件。在此过程中，必然需要对各个 *.o 文件中的静态数据（包括常量）、函数入口的地址做统一分配和管理，这个过程就叫做 重定位，因此未经链接的单独的 *.o 文件又被称为可重定位文件，经过链接处理合并了相同的段的文件称为可执行文件。

库的本意是library图书馆，库文件就是一个由很多 *.o 文件堆积起来的集合。

2.2 相关命令

(1) readelf 可以用来查看 ELF 格式文件的具体细节：

# 查看文件格式头部信息
gec@ubuntu:~$ readelf -h a.out

# 查看各个section信息
gec@ubuntu:~$ readelf -S a.out

# 查看符号表
gec@ubuntu:~$ readelf -s a.out

3.库文件

3.1概述

库的本意是library图书馆，库文件就是一个由很多 *.o 文件堆积起来的集合。本质上来说库是一种可执行代码的二进制形式，这个文件可以在编译时由编译器直接链接到可执行程序中，也可以在运行时由操作系统的runtime enviroment根据需要动态加载到内存中。

3.2分类

库文件分为两类：静态库和动态库。如：

win32平台下，静态库通常后缀为.lib，动态库为.dll ；
linux平台下，静态库通常后缀为.a，动态库为.so 。

静态库：libx.a
动态库：liby.so

库文件的名称遵循这样的规范：

lib库名.后缀

其中，lib是任何库文件都必须有的前缀，库名就是库文件真正的名称，比如上述例子中两个库文件分别叫x和y，在链接它们的时候写成 -lx 和 -ly ，后缀根据静态库和动态库，可以是 .a 或者 .so：

• 静态库的后缀：.a （archive，意即档案）
• 动态库的后缀：.so （share object，意即共享对象）
  注意：不管是静态库，还是动态库，都是可重定位文件 *.o 的集合。

3.3目的

• 模块化：库文件将功能模块化，使得程序结构更加清晰，易于管理和维护。
• 简化部署：使用库文件可以简化软件的部署过程，因为它们可以在不同的程序之间共享，而不需要重复包含相同的代码。
• 动态链接：动态库文件允许在程序运行时才链接，这样可以在不重新编译程序的情况下更新库，提供了更大的灵活性。
• 减少内存占用：使用动态库时，由于多个程序可以共享同一份库文件，因此可以减少每个程序的内存占用。
• 易于更新和维护：库文件的更新只需要替换原有文件，而不需要重新编译使用该库的所有程序，简化了维护工作。
• 跨平台兼容性：库文件可以被设计为跨平台使用，增加了软件的可移植性。
  总的来说，库文件的使用是为了提高软件开发的效率、灵活性和可维护性，同时减少资源的重复占用。

4、静态库

1所谓静态库，就是在静态编译时由编译器到指定目录寻找并且进行链接，一旦链接完成，最终的可执行程序中就包含了该库文件中的所有有用信息，包括代码段、数据段等。

静态链接库在程序编译时会被链接到目标代码中，目标程序运行时将不再需要改动态库，移植方便，体积较大，浪费空间和资源，因为所有相关的对象文件与牵涉到库都被链接合成一个可执行文件，这样导致可执行文件的体积较大。

2.静态库的制作

假设功能文件 a.c、b.c 包含了一些通用的程序模块，可以被其他程序复用，那么可以将它们制作成静态库，具体的步骤是：

第一步，制作 *.o 原材料

gec@ubuntu:~$ gcc a.c -o a.o -c

gec@ubuntu:~$ gcc b.c -o b.o -c

第二步，将 *.o 合并成一个静态库

gec@ubuntu:~$ ar crs libx.a a.o b.o

可见制作静态库非常简单，制作完成之后，可以用命令 ar 查看库中所包含的 *.o 文件：

gec@ubuntu:~$ ar -t libx.a

3. 静态库的常见操作
   3.1 查看静态库中的 .o 列表
   gec@ubuntu:~$ ar t libx.a #（t意即table，以列表方式列出 .o文件）
   a.o
   b.o

3.2 删除静态库中的 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar d libx.a b.o #（d意即delte，删除掉指定的 .o文件）

gec@ubuntu:~$ ar t libx.a

a.o

3.3 向静态库增加 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar r libx.a b.o #（r意即replace，添加或替换(重名时)指定的 .o文件）

gec@ubuntu:~$ ar t libx.a

a.o

b.o

3.4 提取静态库中的 .o 文件
gec@ubuntu:~$ ar x libx.a #（x意即extract，将库中所有的 .o文件释放出来）

gec@ubuntu:~$ ar x libx.a a.o #（指定释放库中的a.o文件）

4.静态库的使用

库文件最大的价值，在于代码复用。假设在上述库文件所包含的 *.o 文件中，已经包含了若干函数接口，那么只要能链接这个库，就无需再重复编写这些接口，直接链接即可。

使用静态库 要是用静态库libadd.a，只需要包含add.h,就可以使用函数add()、sub()。

#include <stdio.h>

#include "add.h"

void main(){

printf("add(5,4) is %d\n",add(5,4));

printf("sub(5,4) is %d\n",sub(5,4));

}

静态库的文件可以放在任意的位置，编译时只需要找到该库文件即可。

gcc -c -I /home/xxxx/include -L /home/xxxxx/lib libadd.a test.c

1）. 通过-I(是大i)指定对应的头文件

2）. 通过-L制定库文件的路径,libadd.a就是要用的静态库。

3）. 在test.c中要包含静态库的头文件。

总结：

编译时：gcc a.c liba.a -o project

相当于liba.a 代替了b.c c.c参与编译

5、动态库

1.概述

不管是动态库还是静态库，它们都是 *.o 文件的集合。动态库指的是以.so后缀的库文件。动态库在程序编译时并不会被链接到目标代码中，而是在程序运行时才被载入，因为可执行文件体积较小。有了动态库，程序的升级会相对比较简单，比如某个动态库升级了，只需要更换这个动态库的文件，而不需要去更换可执行文件。但要注意的是，可执行程序在运行时需要能找到动态库文件。可执行文件时动态库的调用者。

在实际应用中，动态库应用场合要远多于静态库，因为虽然动态库的运行时装载特性会使得程序性能有略微的下降，但换来的是不仅仅节省了大量的存储空间，更重要的是使得主程序和库松耦合，不互相捆绑，当库升级的时候，应用程序无需任何改动即可获得新版库文件的功能，这极大地提高了程序的灵活性。

2.库文件命名

静态库的名字一般为libxxxx.a，其中xxxx是该lib的名称；动态库的名字一般为libxxxx.so.x.y.z，含义如下图所示：

此处，符号链接的作用不是"快捷方式"，而是为了可以让动态库在升级版本的时候更加方便地向前兼容。一般而言，完整的动态库文件名称是：

lib库名.so.主版本号.次版本号.修订版本号

比如： libx.so.1.3.1

当动态库迭代升级时，其版本号会发生相应的改变。比如下面的版本更迭：

2021年3月08日发布：libx.so.1.0.0

2021年4月02日发布：libx.so.1.0.1

2021年4月23日发布：libx.so.1.0.2

2021年5月18日发布：libx.so.1.0.3

2021年8月09日发布：libx.so.1.1.0

2021年9月12日发布：libx.so.1.1.1

可以看到，修订版本号的更迭会比较频繁，次版本号次之，主版本号再次之。为了避免每次版本号的修改而重新编译，动态库一般会用一个只带主版本号的符号链接来链接程序，如：

gec@ubuntu:~$ ls -l
lrwxrwxrwx 1 root root    15 Jan 16 2020 libbsd.so.0 -> libbsd.so.0.8.7
-rw-r--r-- 1 root root 80104 Jan 16 2020 libbsd.so.0.8.7
gec@ubuntu:~$

这样一来，未来不管版本号如何变迁，只要主版本号不变，那么用户链接的库名永远都是 libbsd.so.0，而无需关心具体某个版本。而如果连主版本号都发生了改变，这一般是因为库不再向前兼容，比如删除了某些原有的接口，这种情况下，用户就需要重新编译程序。

3.制作库文件常用的参数

首先需要了解gcc编译库要用到一些参数，很重要。

4.制作动态库

不管是静态库还是动态库，都是用来被其他程序链接的一个个功能模块。与静态库一致，制作动态库的步骤如下：

将 *.c 编译生成 *.o

将 *.o 编译成动态库

把add.c编译成动态链接库libadd.so

#第一步：将源码编译为 *.o

gcc -fPIC -o libadd.o -c add.c

#第二步：将 *.o 编译为动态库

gcc -shared -o libadd.so libadd.o

也可以直接使用一条命令

gcc -fPIC -shared -o libadd.so add.c

5.动态库的使用

动态库的编译跟静态库并无二致，如：

gec@ubuntu:~$ pwd

/home/gec

gec@ubuntu:~$ ls lib/

libx.so

gec@ubuntu:~$ gcc main.c -o main -L./lib -lx

说明：

-L 选项后面跟着动态库所在的路径。

-l 选项后面跟着动态库的名称。

运行时链接

动态库的最大特征，就是编译链接后程序并不包含动态库的代码，这些程序会在每次运行时，动态地去寻找并定位其所依赖的库文件中的模块，这是他们为什么被称为动态库的原因。

也就是说，如果程序运行时找不到动态库，运行就会失败，例如：

gec@ubuntu:~$ ./main

报错

出现上述错误的原因，就是因为运行程序 main 时，无法找到其所依赖的动态库 libx.so，解决这个问题，有三种办法：

1.编译时预告：

gec@ubuntu:~$ gcc main.c -o main -L. -lx -Wl,-rpath=/home/gec/lib

2.设置环境变量：

gec@ubuntu:~$ export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/gec/lib

3.将库文件拷贝到根目录下的/lib里面

总结

可以通过动态库（也称为共享库或共享对象文件）再构建一个动态库。在链接过程中，一个动态库可以依赖于其他动态库或静态库。

当你使用编译器（如gcc或clang）来构建动态库时，你可以指定其他动态库作为链接时的依赖。这些依赖的库在运行时会被动态加载。

以下是一个简单的例子，展示了如何使用gcc来从一个动态库（libA.so）构建一个依赖于它的新动态库（libB.so）：

编译和链接第一个动态库（libA.so）

假设你有一个源文件a.c，你可以这样编译和链接它：

gcc -shared -o libA.so a.c

编译和链接第二个动态库（libB.so），它依赖于libA.so

假设你有一个源文件b.c，它调用了在libA.so中定义的函数。为了构建libB.so，你需要链接到libA.so：

gcc -shared -o libB.so b.c -L. -lA

注意-L.选项告诉链接器在当前目录（.表示当前目录）中查找库，而-lA选项告诉链接器链接到名为libA.so的库（注意，在-l选项后，库名通常不包含前缀lib和后缀.so）。