【Linux探索学习】第二十五弹——动静态库：Linux 中静态库与动态库的详细解析

Linux学习笔记：

https://blog.csdn.net/2301_80220607/category_12805278.html?spm=1001.2014.3001.5482

前言：

在 Linux 系统中，静态库和动态库是开发中常见的两种库文件类型。它们在编译、链接、内存管理以及程序的性能和可维护性方面有着显著的差异。了解静态库与动态库的区别和使用方式，有助于开发者根据实际需求选择最适合的解决方案。本文将详细介绍静态库与动态库的概念、差异、使用方法，并通过实际的代码示例讲解如何创建和使用这些库。

目录

1. 静态库与动态库的基本概念

   • 静态库（Static Library）
   • 动态库（Dynamic Library）

2. 静态库与动态库的区别

   • 编译与链接时机
   • 文件格式与大小
   • 性能与内存管理
   • 使用场景

3. 如何在 Linux 中创建静态库

   • 创建静态库的步骤
   • 静态库的使用示例
   • 静态库的优缺点

4. 如何在 Linux 中创建动态库

   • 创建动态库的步骤
   • 动态库的使用示例
   • 动态库的优缺点

5. 静态库与动态库的优缺点比较

   • 性能方面
   • 存储与内存使用
   • 依赖管理

6. 动态库的加载与链接机制

   • 静态链接与动态链接的概念
   • 动态库的查找机制

7. 静态库与动态库的底层实现

   • 静态库的实现机制
   • 动态库的实现机制

8. 进阶话题

   • 如何处理库版本
   • 库文件的符号表与重定位
   • 库的跨平台使用

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1. 静态库与动态库的基本概念

静态库（Static Library）

静态库是一种在编译时就将代码和资源打包到可执行文件中的库。静态库通常是由多个目标文件（.o 文件）组成的，最终在编译时会将这些目标文件的代码合并到程序的可执行文件中。静态库的扩展名通常为 .a。

静态库的特点：

• 在编译时将库文件的代码直接嵌入到可执行文件中。
• 每个程序都需要自己链接一份静态库的副本。
• 不需要在程序运行时进行额外的文件查找或加载。
• 编译过程中会把库的所有代码复制到目标文件中，增加了可执行文件的体积。

动态库（Dynamic Library）

动态库是一种在程序运行时加载的共享库。与静态库不同，动态库的代码不会在编译时直接嵌入到可执行文件中，而是在程序运行时通过动态链接器加载。动态库通常具有 .so（Shared Object）扩展名。

动态库的特点：

• 在程序运行时由操作系统动态加载。
• 可以被多个程序共享，减少了内存和磁盘空间的消耗。
• 不需要在编译时复制代码，程序的大小较小。
• 在程序运行时，可以更新动态库，而不需要重新编译所有依赖该库的程序。

2. 静态库与动态库的区别

特性	静态库（Static Library）	动态库（Dynamic Library）
文件扩展名	.a	.so
编译时机	在编译时静态链接	在运行时动态加载
链接方式	静态链接（编译时）	动态链接（运行时）
程序体积	较大，库的代码嵌入程序中	较小，库的代码不嵌入程序中
内存管理	每个程序都拥有库的副本	多个程序共享库的副本
依赖管理	依赖是固定的，程序与库紧耦合	依赖管理灵活，库的更新不需要重新编译
更新	更新需要重新编译所有依赖的程序	只需更新动态库，不需要重新编译程序
使用场景	不需要动态链接支持的独立应用	需要共享库、多程序共享资源的场景

编译与链接时机

• 静态库的链接发生在编译时。编译器会将库文件的所有目标文件内容复制到程序中，生成一个包含所有必要代码的可执行文件。
• 动态库的链接发生在程序运行时。动态链接器会在程序启动时加载所需的共享库，并将其中的符号解析并链接到程序中。

文件格式与大小

• 静态库 通常是 .a 格式，文件较大，因为它包含了库中所有的目标文件（.o 文件）。
• 动态库 通常是 .so 格式，文件较小，多个程序可以共享同一个动态库。

性能与内存管理

• 静态库的程序在运行时不需要加载额外的库文件，因为它们已经嵌入到可执行文件中，程序启动时性能较好。
• 动态库的程序在运行时需要加载外部库文件，虽然加载过程可能略有延迟，但多个程序可以共享同一个动态库，节省内存和磁盘空间。

使用场景

• 静态库适合小型应用程序和嵌入式系统，特别是当程序不依赖于大量外部库时。
• 动态库适合大型系统或需要频繁更新的应用程序，因为库更新不需要重新编译应用程序。

3. 如何在 Linux 中创建静态库

创建静态库的步骤

1. 编写源代码： 创建一个简单的 C 文件，定义一些函数：

   // mathlib.c
   #include <stdio.h>
   
   int add(int a, int b) {
       return a + b;
   }
   
   int subtract(int a, int b) {
       return a - b;
   }

2. 编译为目标文件 ： 使用 gcc 将 C 文件编译为目标文件：

   gcc -c mathlib.c -o mathlib.o

3. 创建静态库 ： 使用 ar 工具将目标文件打包成静态库：

   ar rcs libmath.a mathlib.o

4. 使用静态库： 创建一个程序来调用这个静态库：

   // main.c
   #include <stdio.h>
   
   int add(int, int);
   int subtract(int, int);
   
   int main() {
       printf("Sum: %d\n", add(5, 3));
       printf("Difference: %d\n", subtract(5, 3));
       return 0;
   }

   编译并链接静态库：

   gcc main.c -L. -lmath -o main

5. 运行程序：

   ./main

静态库的优缺点

优点：

• 不需要依赖外部库，程序独立性强。
• 程序启动速度较快。

缺点：

• 程序文件较大，内存占用较高。
• 如果库有更新，所有依赖该库的程序都需要重新编译。

4. 如何在 Linux 中创建动态库

创建动态库的步骤

1. 编写源代码：

   // mathlib.c
   #include <stdio.h>
   
   __attribute__((visibility("default"))) int add(int a, int b) {
       return a + b;
   }
   
   __attribute__((visibility("default"))) int subtract(int a, int b) {
       return a - b;
   }

2. 编译为共享库 ： 使用 gcc 将代码编译为动态库：

   gcc -fPIC -shared mathlib.c -o libmath.so

3. 使用动态库： 创建一个主程序，调用动态库中的函数：

   // main.c
   #include <stdio.h>
   
   int add(int, int);
   int subtract(int, int);
   
   int main() {
       printf("Sum: %d\n", add(5, 3));
       printf("Difference: %d\n", subtract(5, 3));
       return 0;
   }

   编译并链接动态库：

   gcc main.c -L. -lmath -o main

4. 设置动态库路径并运行程序：

   export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
   ./main

动态库的优缺点

优点：

• 可以在程序运行时加载，多个程序共享同一个库。
• 更新库时无需重新编译依赖程序，降低了维护成本。

缺点：

• 程序启动时需要加载外部库，可能会稍慢。
• 如果程序依赖的库丢失或版本不兼容，可能会导致运行时错误。

5. 静态库与动态库的优缺点比较

特性	静态库	动态库
程序大小	较大，库的代码嵌入到程序中	较小，多个程序共享同一份库
内存使用	每个程序都需要加载一份库的副本	多个程序共享同一份库，节省内存
启动速度	较快，不需要加载外部库文件	稍慢，需要加载外部库文件
依赖管理	静态，程序与库紧密耦合	动态，程序可以独立于库更新
更新	需要重新编译所有依赖的程序	只需更新库文件，无需重新编译程序

6. 动态库的加载与链接机制

动态库的加载和链接分为两种方式：编译时动态链接 （Compile-time Linking）和运行时动态链接（Runtime Linking）。

编译时动态链接

编译时动态链接指的是在编译时指定使用的动态库，编译器会将库的符号信息嵌入到可执行文件中。程序运行时，操作系统会加载对应的动态库。

运行时动态链接

运行时动态链接是指程序通过 dlopen() 等系统调用在运行时加载库文件。这种方式更为灵活，可以根据需要加载不同的库。

7. 静态库与动态库的底层实现

• 静态库 ：静态库文件实际上是一个归档文件，里面包含了一些目标文件（.o 文件）。当程序需要使用静态库时，链接器会从静态库中提取所需的目标文件，并将它们嵌入到可执行文件中。
• 动态库 ：动态库文件是一个共享对象，包含了可以在多个程序中共享的代码。操作系统通过动态链接器（如 Linux 上的 ld.so）负责加载动态库并解析符号。

8. 进阶话题

如何处理库版本

库的版本管理对于动态库尤为重要。常见的方法是使用符号链接或者版本控制机制来管理不同版本的动态库。

库文件的符号表与重定位

库文件中的符号表包含了函数和变量的符号信息。链接器会根据符号表进行符号解析和重定位。

库的跨平台使用

动态库的跨平台使用通常依赖于编译时指定的架构和平台。使用如 autoconf、CMake 等工具可以帮助开发者更好地进行跨平台构建。

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结论

静态库与动态库在 Linux 系统中的应用各有优势与劣势。静态库适用于需要独立性较强的程序，而动态库则适用于内存共享和版本更新更加灵活的场景。在实际开发中，开发者应根据应用的需求、维护成本和性能要求来选择合适的库类型。

本篇笔记：

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