【Linux】动静态库

静态库与动态库的概念

静态库（.a）：程序在编译链接的时候把库的代码链接到可执行文件中。程序运行的时候将不再需要静态库。
动态库（.so）：程序在运行的时候才去链接动态库的代码，多个程序共享使用库的代码。

设计静态库

编写一个简单库，实现加减乘除的算法

cpp 复制代码

// mymath.h文件
#pragma once

#include<stdio.h>

extern int myerrno;

int add(int x, int y);
int sub(int x, int y);
int mul(int x, int y);
int div(int x, int y);

// mymath.c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 mul(int x, int y)
{
	return x * y;	
}

int div(int x, int y)
{
	if(y == 0)
	{
		myerrno = 1;
		return -1;
	}
	return x / y;
}

当需要将自己实现的算法给别人使用的方法：

将源文件直接给别人（暴露源文件内容）、

把源文件的代码打包成库（不会暴露源文件内容），给别人提供的代码是 = 库 + .h

【注意】必须提供库（也就是头文件），库相当于说明书

形成静态库

生成静态库的方式就是将.c文件形成.o文件，再将.o文件打包形成.a静态库，即可使用静态库。

cpp 复制代码

// makefile文件
lib=libmymath.a

$(lib):mymath.o
	ar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.c
	gcc -c $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -f *.o *.a

指令：ar -rc xxx.a xxx.o xxx.o

【功能】ar是生产静态库的一个命令，-rc代表replace and creat，意思是将.o文件放在.a的二进制文件里面

此时形成mymath.o文件，然后将mymath.o文件打包形成libmymath.a文件

发布静态库

在makefile文件中编辑：

.PHONY:output

output:

mkdir -p lib/include

mkdir -p lib/mymathlib

cp *.h lib/include

cp *.a lib/mymathlib

创建一个目录，将.h文件和.a文件放在lib文件中，如果别人需要使用该库，直接将lib文件夹给别人即可。

bash 复制代码

lib=libmymath.a

$(lib):mymath.o
	ar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.c
	gcc -c $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o *.a lib

.PHONY:output
output:
	mkdir -p lib/include
	mkdir -p lib/mymathlib
	cp *.h lib/include
	cp *.a lib/mymathlib

使用静态库

cpp 复制代码

#include "mymath.h"

int main()
{
	printf("1+2=%d\n", add(1,2));
	return 0;
}

【错误】头文件找不到

使用#include"mymath.h"，系统会默认

在/usr/include/系统路径下寻找。

当前目录寻找。

显然，我们目前的mymath.h既不在当前目录，也不在系统目录中。

找到头文件的方法：

指令: gcc main.c -I $path$

【功能】gcc带 -I 选项，意思让include除了在当前目录下和系统目录下寻找，还在指定目录下寻找，-I代表include的意思

【错误】找不到add这个函数的实现，这种错误发生在链接时报错，因为.o文件是可以出来的。

找不到函数的链接，是找不到静态库.a文件，系统会默认在：

系统目录/lib64/libc.so路径下找静态库文件

系统目录/lib64/libc.a路径下找静态库文件

当前目录下找静态库文件

找到静态库文件的方法：

指令：gcc main.c -I $path$ -L $path$

【功能】-L在指定路径下找静态库文件，-L代表lib的意思

【错误】./lib/mymathlib/目录下不仅仅会存在一个静态库文件，需要显式的说明需要链接哪一个静态库。而./lib/include没有明确说明需要哪一个头文件，是因为在main.c文件中已经显示说明需要使用哪一个头文件。

指令：gcc main.c -I $path$ -L $path$ -l $静态库$

【功能】-l 代表link的意思，会找指定的静态库

【注意】静态库的真实名称式去掉前缀lib和后缀.a或者.so的名称

总结通过指令的方法使用静态库

指令：gcc main.c -I $path$ -L $path$ -l $静态库舍去lib前缀和.a/.so后缀$

【注意】使用第三方库，必须使用-l带第三方库

特殊情况分析

当在main.c文件编写代码时，出现这种情况：

cpp 复制代码

#include "mymath.h"

int main()
{
	printf("10/0=%d\n", div(10,0));
	return 0;
}

【错误分析】此时计算结果为-1，无法清楚的知道是否在调用函数出错，还是本来就是该计算结果。

cpp 复制代码

  1 #include"mymath.h"
  2 
  3 int myerrno = 0;
  4 
  5 int add(int x, int y)
  6 {
  7     return x + y;
  8 }
  9 
 10 int sub(int x, int y)
 11 {
 12     return x - y;
 13 }
 14 
 15 int mul(int x, int y)
 16 {
 17     return x * y;
 18 }
 19 
 20 int div(int x, int y)
 21 {
 22     if(y == 0)
 23     {
 24         myerrno = 1;
 25         return -1;
 26     }
 27     return x / y;
 28 }

cpp 复制代码

#include "mymath.h"

int main()
{
	int n = div(10, 0);
	printf("10/0=%d, myerrno=%d\n", n, myerrno);
	return 0;
}

可以通过设置errno的方式来解决此问题，当errno为1说明结果是错误的，当errno为0说明结果是正确的。

【结论】

第三方库，在使用的时候，必须使用gcc -l

errno的本质就是全局变量。

gcc 默认是动态链接，但是如果在找的地方只有静态库，gcc 会选择使用静态链接，-static选项是一种建议选项。系统中动态库和静态库均提供时，默认会选择动态链接，带选项-static会使用静态链接，当系统中只存在动态库，不管有没有static选项都会动态链接。当只存在静态库时，只会静态链接。

如果系统中需要链接多个库，那么gcc可以链接多个库

将头文件和库文件放在系统文件下

指令：sudo cp 当前目录下的头文件 /usr/include

【功能】将头文件保存在系统头文件目录

指令：sudo cp 当前目录下的库文件 /usr/lib64

【功能】将头文件保存在系统库文件目录

此时，只需要链接需要哪个库文件即可。

【说明】将头文件或者库文件拷贝到系统路径下，本质是在进行库的安装。

使用软连接的方式

指令：ln -s $目录名称$ $软连接名称$

【说明】将需要使用的头文件或者库文件建立软连接。

cpp 复制代码

dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ sudo ln -s /home/dabai/git/linux/1218/test/lib/include/ /usr/include/myinc
dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ ls /usr/include/myinc
mymath.h
dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ ls -l /usr/include/myinc
lrwxrwxrwx 1 root root 44 Dec 19 10:00 /usr/include/myinc -> /home/dabai/git/linux/1218/test/lib/include/

cpp 复制代码

#include "myinc/mymath.h"

int main()
{
	int n = div(10, 0);
	printf("10/0=%d, myerrno=%d\n", n, myerrno);
	return 0;
}

使用绝对路径的方式，在系统路径下设置软链接，通过软链接找mymath.h头文件。

cpp 复制代码

dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ sudo ln -s /home/dabai/git/linux/1218/test/lib/mymathlib/ /lib64/libmymath.a
dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ ls -l /lib64/libmymath.a 
lrwxrwxrwx 1 root root 46 Dec 19 10:08 /lib64/libmymath.a -> /home/dabai/git/linux/1218/test/lib/mymathlib/

使用绝对路径的方式，在系统路径下设置软链接，通过软链接找库文件。

设计动态库

设置四个文件，形成动态库

myprint.*文件

cpp 复制代码

// myprintf.h
#pragma once
#include<stdio.h>

void Print();

// myprintf.c

#include "myprintf.h"

void Print()
{
	printf("hello new world!\n");
	printf("hello new world!\n");
	printf("hello new world!\n");
	printf("hello new world!\n");
	printf("hello new world!\n");
}

mylog.*文件

cpp 复制代码

// mylog.h文件
#pragma once

#include<stdio.h>

void Log(const char*);

// mylog.c

#include "mylog.h"


void Log(const char* info)
{
	printf("Warning :%s\n", info);
}

形成动态库

通过指令的方式形成动态库

指令：

gcc -fPIC -c $filename$

gcc -shared -o lib $filename$ .so

【功能】

fPIC：产生位置无关码

-shared：形成共享库格式

首先将.c文件形成.0文件

然后将.o文件打包，形成动态库

使用makefile的方式形成动态库

makefile文件

cpp 复制代码

dy-lib=libmymethod.so
static-lib=libmymath.a

.PHONY:all
all: $(dy-lib) $(static-lib)
	
$(static-lib):mymath.o
	ar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.c
	gcc -c $^

$(dy-lib):mylog.o myprintf.o
	gcc -shared -o $@ $^
mylog.o:mylog.c
	gcc -fPIC -c $^
myprintf.o:myprintf.c
	gcc -fPIC -c $^


.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o *.a *.so lib

.PHONY:output
output:
	mkdir -p mylib/include
	mkdir -p mylib/lib
	cp *.h mylib/include
	cp *.a mylib/lib
	cp *.so mylib/lib

使用动态库

将mylib目录放在test目录下面，让test进行使用。

编辑main.c文件

cpp 复制代码

#include "mylog.h"
#include "myprintf.h"

int main()
{
	Print();
	Log("hello log function");

	return 0;
}

指令：gcc main.c -I mylib/include/ -L mylib/lib/

【功能】将动态库链接

指令：gcc main.c -I mylib/include/ -L mylib/lib/ -lmymethod -lmymath

【功能】将动态库和静态库都链接，这里如果需要添加库，只需要在后面加 -l...

cpp 复制代码

dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ gcc main.c -I mylib/include/ -L mylib/lib/ -lmymethod
dabai@VM-16-7-ubuntu:~/git/linux/1218/test$ ./a.out 
./a.out: error while loading shared libraries: libmymethod.so: cannot open shared object file: No such file or directory

链接动态库时会出现上述问题，问题出现的原因是，编译器找到动态库，但是加载器没有找到动态库：

指令：ldd $可执行文件$

【功能】查看动态链接

方法一：在系统共享库处建立软连接

cpp 复制代码

sudo ln -s /home/dabai/git/linux/1218/test/mylib/lib/libmymethod.so /lib64/libmymethod.so

如果出现ldd发现没有链接成功，则输入指令：

复制代码

# 直接指定软链接所在路径（/lib64已在默认搜索路径，但需缓存，此方式绕开缓存）
export LD_LIBRARY_PATH=/lib64:$LD_LIBRARY_PATH

此时，即可使用动态库：

方法二：拷贝到系统默认路径即可

该方法与静态库方法类似

方法三：添加到系统环境变量

复制代码

# 直接追加你的库路径（推荐，不覆盖原有环境变量）
export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/dabai/git/linux/1218/test/mylib/lib

将自己的库所在的路径，添加到系统的环境变量中。

方法四：在/etc/ld.so.conf.d/下创建自定义配置文件，指定库路径

复制代码

sudo echo "/home/dabai/git/linux/1218/test/mylib/lib" > /etc/ld.so.conf.d/mymethod.conf

【总结】动态库在进程运行的时候，是要被加载的，而静态库不需要。常见的动态库被所有的可执行程序（动态链接的），都要使用动态库------共享库，所以，动态库在系统中加载只会，会被所有进程共享。

动态库是怎么被加载的

动态库也是文件，动态库加载到物理内存中，与页表建立映射，保存在进程地址空间中的共享区（栈区与堆区之间的区域）。当建立映射之后，执行的任何代码，都是在进程地址空间中执行的。

而系统在运行中，一定会存在多个动态库，这些动态库会被操作系统管理起来（先描述再组织），也就是说操作系统了解所有库的加载情况。当存在多个进程需要使用一个库的情况时，操作系统会分析物理内存中是否存在该库，如果存在，直接会让这些进程直接建立联系，将库的代码通过页表映射保存在共享库中，也就说在物理内存中只需要保存一份库的代码即可，这个库也被称为动态库/共享库。

++问题：当动态库中设置全局变量时，例如前面的errno，多个进程是如何处理的：++

【答】：库是在堆区和栈区之间的共享区的，当存在对全局变量进行写入的时候，会造成写时拷贝。

关于地址相关的知识

程序没有加载前的地址（程序）

程序在编译好之后，程序内部有地址的概念，是因为编译器也需要考虑操作系统，这些地址已经是虚拟地址，但是为了区分虚拟地址空间的地址，将程序刚编译好的地址称为逻辑地址，逻辑地址是磁盘中程序编译后的地址。

【注意】可程序程序在编译后就存在地址，该地址称为逻辑地址。

cpp 复制代码

#include<stdio.h>

int a = 10;
int b = 20;

int main()
{
	printf("hello world!\n");
	
	int x = 30;
	int y = 40;
	int z = x + y;

	printf("result: %d\n", z);

	return 0;
}

指令：objdump -S a.out

【功能】将a.out程序进行反汇编。

【说明】这些指令都是CPU进行执行的。

程序加载后的地址（进程）

将可执行程序加载到内存的时候，每条指令都占据一定的物理地址，而每条指令自己内部又保存着自己的逻辑地址。

当可执行程序编译好之后，会在代码的开头存放一个入口地址，这个入口地址不是物理地址，而是逻辑地址。在CPU中会存在一个寄存器，寄存器将读取入口地址（逻辑地址），然后找到虚拟地址空间的起始地址，然后通过页表映射，找到物理内存中的代码。

在CPU中读取到指令的时候，可以存在数据，也可能存在地址，这个地址是逻辑地址，然后寄存器会在虚拟地址空间中查找该逻辑地址，通过页表映射再找到物理地址，当物理地址不存在时，会进行缺页中断。

【注意】在代码中读取到的地址都是逻辑地址，通过逻辑地址和页表的映射可以找到函数的物理地址。

动态库的地址

将动态库放到物理内存中，通过页表映射会放在进程地址空间中的共享库的位置。而共享库很大，动态库被加载到固定地址空间中的位置是不可能的。动态库被加载的时候，库可以在虚拟内存中，任意位置加载。

所以动态库会在自己内部函数不采用绝对编址，而是采用每个函数在库中的偏移量即可。

-fPIC：产生位置无关码

该选项的作用是直接用偏移量进行对库中的函数进行编址。

【问题】静态库为什么不谈加载，不谈与位置无关？这是因为静态库会直接将代码加载到可执行程序中。静态库的代码会放在进程地址空间中的代码区中，以固定地址的方式。