有关动态库、静态库

一、GCC编译过程与动态库和静态库

原文链接：https://www.cnblogs.com/king-lps/p/7757919.html

1. 库的介绍

库是写好的现有的，成熟的，可以复用的代码。现实中每个程序都要依赖很多基础的底层库，不可能每个人的代码都从零开始，因此库的存在意义非同寻常。

本质上来说库是一种可执行代码的二进制形式，可以被操作系统载入内存执行。库有两种：静态库（.a、.lib）和动态库（.so、.dll）。 windows上对应的是.lib .dll linux上对应的是.a .so

在这里先介绍下Linux下的gcc编译的几个选项

g++ -c hellospeak.cpp

会将hellospeak.cpp 选项 -c 用来告诉编译器编译源代码但不要执行链接，输出结果为对象文件。文件默认名与源码文件名相同，只是将其后缀变为 .o。例如，上面的命令将编译源码文件hellospeak.cpp 并生成对象文件 hellospeak.o；

下面这条命令将上述两个源码文件编译链接成一个单一的可执行程序： 

$ g++ hellospeak.cpp speak.cpp -o hellospeak

如果没有-o和后面的参数，编译器采用默认的 a.out
本例中就会生成hellospeak 这样的可执行程序。

所谓静态、动态是指链接。回顾一下，将一个程序编译成可执行程序的步骤：

图：编译过程

 

静态库

之所以成为【静态库】，是因为在链接阶段，会将汇编生成的目标文件.o与引用到的库一起链接打包到可执行文件中。因此对应的链接方式称为静态链接。

 

试想一下，静态库与汇编生成的目标文件一起链接为可执行文件，那么静态库必定跟.o文件格式相似。其实一个静态库可以简单看成是一组目标文件（.o/.obj文件）的集合，即很多目标文件经过压缩打包后形成的一个文件。静态库特点总结：

 

l 静态库对函数库的链接是放在编译时期完成的。

l 程序在运行时与函数库再无瓜葛，移植方便。

l 浪费空间和资源，因为所有相关的目标文件与牵涉到的函数库被链接合成一个可执行文件。

Linux下创建与使用静态库

Linux静态库命名规则

Linux静态库命名规范，必须是"lib[your_library_name].a"：lib为前缀，中间是静态库名，扩展名为.a。

创建静态库（.a）

通过上面的流程可以知道，Linux创建静态库过程如下：

l 首先，将代码文件编译成目标文件.o（StaticMath.o）

g++ -c StaticMath.cpp

注意带参数-c，否则直接编译为可执行文件

然后，通过ar工具将目标文件打包成.a静态库文件

ar -crv libstaticmath.a StaticMath.o

生成静态库libstaticmath.a。

 

动态库

通过上面的介绍发现静态库，容易使用和理解，也达到了代码复用的目的，那为什么还需要动态库呢？

为什么还需要动态库？

为什么需要动态库，其实也是静态库的特点导致。

l 空间浪费是静态库的一个问题。

另一个问题是静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。如果静态库liba.lib更新了，所以使用它的应用程序都需要重新编译、发布给用户（对于玩家来说，可能是一个很小的改动，却导致整个程序重新下载，全量更新）。

 

动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入。不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例，规避了空间浪费问题。动态库在程序运行是才被载入，也解决了静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。用户只需要更新动态库即可，增量更新。

动态库特点总结：

l 动态库把对一些库函数的链接载入推迟到程序运行的时期。

l 可以实现进程之间的资源共享。（因此动态库也称为共享库）

l 将一些程序升级变得简单。

l 甚至可以真正做到链接载入完全由程序员在程序代码中控制（显示调用）。

Window与Linux执行文件格式不同，在创建动态库的时候有一些差异。

l 在Windows系统下的执行文件格式是PE格式，动态库需要一个DllMain函数做出初始化的入口，通常在导出函数的声明时需要有_declspec(dllexport)关键字。

l Linux下gcc编译的执行文件默认是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要函数做特别的声明，编写比较方便。

与创建静态库不同的是，不需要打包工具（ar、lib.exe），直接使用编译器即可创建动态库。

2.  GCC编译过程

2.1 GCC定义

目前 Linux 下最常用的 C 语言编译器是 GCC （ GNU Compiler Collection ），它是 GNU 项目中符合 ANSI C 标准的编译系统，能够编译用 C 、 C++ 和 Object C 等语言编写的程序。 GCC 不仅功能非常强大，结构也异常灵活。最值得称道的一点就是它可以通过不同的前端模块来支持各种语言，如Java 、 Fortran 、 Pascal 、 Modula-3 和 Ada 等。开放、自由和灵活是 Linux 的魅力所在，而这一点在 GCC 上的体现就是程序员通过它能够更好地控制整个编译过程。在使用 GCC 编译程序时，编译过程可以被细分为四个阶段：

预处理（ Pre-Processing ）
编译（ Compiling ）
汇编（ Asse mbling ）
链接（ Linking ）
Linux 程序员可以根据自己的需要让 GCC 在编译的任何阶段结束，以便检查或使用编译器在该阶段的输出信息，或者对最后生成的二进制文件进行控制，以便通过加入不同数量和种类的调试代码来为今后的调试做好准备。和其它常用的编译器一样， GCC 也提供了灵活而强大的代码优化功能，利用它可以生成执行效率更高的代码。
GCC 提供了 30 多条警告信息和三个警告级别，使用它们有助于增强程序的稳定性和可移植性。此外， GCC 还对标准的 C 和 C++ 语言进行了大量的扩展，提高程序的执行效率，有助于编译器进行代码优化，能够减轻编程的工作量。

       

 

2.2 GCC编译过程

1）gcc 预处理阶段：主要对包含的头文件（＃include ）和宏定义（＃define,#ifdef … ）进行处理。可以使用“gcc -E” 让gcc 在预处理之后停止编译过程，生成 *.i 文件。

 gcc -E hello.c -o hello.i

2）gcc 编译阶段：gcc 首先要检查代码的规范性，是否有语法错误等。以确定代码实际要做的工作，在检查无误后，gcc 把代码翻译成汇编语言。用户可以使用-S 选项进行查看，该选项只进
行编译而不进行汇编，生成汇编代码。

gcc -S hello.i -o hello.s

3）gcc 汇编阶段：生成目标代码 *.o ；有两种方式：使用 gcc 直接从源代码生成目标代码 gcc -c *.s -o *.o 以及使用汇编器从汇编代码生成目标代码 as *.s -o *.o

gcc -c hello.s -o hello.o

as hello.s -o hello.o

也可以直接使用as *.s, 将执行汇编、链接过程生成可执行文件a.out, 可以像上面使用-o 选项指定输出文件的格式。
4）gcc 链接阶段：生成可执行文件；可以生成的可执行文件格式有： a.out/*/,当然可能还有其它格式。

gcc hello.o     生成可执行文件 a.out

gcc hello.o -o hello        生成可执行文件 hello

 

2.3 gcc 常用编译选项：

 

 

2.3  gcc 链接库文件的使用

       在 linux 下开发软件时，完全不使用第三方函数库的情况是比较少见的，通常来讲都需要借助一个或多个函数库的支持才能够完成相应的功能。从程序员的角度看，函数库实际上就是一些头文件（ .h ）和库文件（ .so 或者 .a ）的集合。虽然 Linux 下的大多数函数都默认将头文件放到/usr/include/ 目录下，而库文件则放到 /usr/lib/ 目录下，但并不是所有的情况都是这样。正因如此， GCC 在编译时必须有自己的办法来查找所需要的头文件和库文件。 GCC 采用搜索目录的办法来查找所需要的文件， -I 选项可以向 GCC 的头文件搜索路径中添加新的目录。例如，如果在/home/justin/include/ 目录下有编译时所需要的头文件，为了让 GCC 能够顺利地找到它们，就可以使用 -I 选项：

gcc foo.c -I /home/justin/include -o foo 

      同样，如果使用了不在标准位置的库文件，那么可以通过 -L 选项向 GCC 的库文件搜索路径中添加新的目录。例如，如果在 /home/xiaowp/lib/ 目录下有链接时所需要的库文件 libfoo.so ，为了让 GCC 能够顺利地找到它，可以使用下面的命令：

gcc foo.c -L /home/justin/lib -lfoo -o foo

     值得好好解释一下的是 -l 选项，它指示 GCC 去连接库文件 libfoo.so 。 Linux 下的库文件在命名时有一个约定，那就是应该以lib 三个字母开头，由于所有的库文件都遵循了同样的规范，因此在用-l 选项指定链接的库文件名时可以省去lib 三个字母，也就是说GCC 在对-lfoo 进行处理时，会自动去链接名为libfoo.so 。
Linux 下的库文件分为两大类分别是动态链接库（通常以.so 结尾）和静态链接库（通常以.a 结尾），两者的差别仅在程序执行时所需的代码是在运行时动态加载的，还是在编译时静态加载的 。默认情况下，GCC 在链接时优先使用动态链接库，只有当动态链接库不存在时才考虑使用静态链接库，如果需要的话可以在编译时加上-static 选项，强制使用静态链接库。例如，如果在home/justin/lib/ 目录下有链接时所需要的库文件libfoo.so 和libfoo.a ，为了让GCC 在链接时只用到静态链接库，可以使用下面的命令：

gcc foo.c -L /home/justin/lib -static -lfoo -o foo

 对于动态库和静态库文件的创建方法，见上文库的介绍。

 

二、运行过程中链接动态链接库与编译过程中链接动态库的区别

        我们调用动态链接库有两种方法：一种是编译的时候，指明所依赖的动态链接库，这样loader可以在程序启动的时候，来所有的动态链接映射到内存中；一种是在运行过程中，通过dlopen和dlfree的方式加载动态链接库，动态将动态链接库加载到内存中。

        这两种方式，从编程角度来讲，第一种是最方便的，效率上影响也不大，在内存使用上有些差别。

        第一种方式，一个库的代码，只要运行过一次，便会占用物理内存，之后即使再也不使用，也会占用物理内存，直到进程的终止。

        第二中方式，库代码占用的内存，可以通过dlfree的方式，释放掉，返回给物理内存。

这个差别主要对于那些寿命很长，但又会偶尔调用各种库的进程有关。如果是这类进程，建议采用第二种方式调用动态链接库

三、LINUX下动态链接库dlopen dlsym dlclose函数使用说明

原文链接：http://blog.const.net.cn/a/17154.htm

编译时候要加入 -ldl (指定dl库)

dlopen

基本定义

功能：打开一个动态链接库 [喝小酒的网摘]http://blog.const.net.cn/a/17154.htm
包含头文件： 
#include  
函数定义： 
void * dlopen( const char * pathname, int mode ); 
函数描述： 
在dlopen的（）函数以指定模式打开指定的动态连接库文件，并返回一个句柄给调用进程。使用dlclose（）来卸载打开的库。 
mode：分为这两种 
RTLD_LAZY 暂缓决定，等有需要时再解出符号 
RTLD_NOW 立即决定，返回前解除所有未决定的符号。 
RTLD_LOCAL 
RTLD_GLOBAL 允许导出符号 
RTLD_GROUP 
RTLD_WORLD 
返回值: 
打开错误返回NULL 
成功，返回库引用 
编译时候要加入 -ldl (指定dl库) 
例如 
gcc test.c -o test -ldl

使用 dlopen
dlopen()是一个强大的库函数。该函数将打开一个新库，并把它装入内存。该函数主要用来加载库中的符号，这些符号在编译的时候是不知道的。比如 Apache Web 服务器利用这个函数在运行过程中加载模块，这为它提供了额外的能力。一个配置文件控制了加载模块的过程。这种机制使得在系统中添加或者删除一个模块时，都 不需要重新编译了。 
可以在自己的程序中使用 dlopen()。dlopen() 在 dlfcn.h 中定义，并在 dl 库中实现。它需要两个参数：一个文件名和一个标志。文件名可以是我们学习过的库中的 soname。标志指明是否立刻计算库的依赖性。如果设置为 RTLD_NOW 的话，则立刻计算；如果设置的是 RTLD_LAZY，则在需要的时候才计算。另外，可以指定 RTLD_GLOBAL，它使得那些在以后才加载的库可以获得其中的符号。 

　　当库被装入后，可以把 dlopen() 返回的句柄作为给 dlsym() 的第一个参数，以获得符号在库中的地址。使用这个地址，就可以获得库中特定函数的指针，并且调用装载库中的相应函数。

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dlsym

dlsym()的函数原型是 
void* dlsym(void* handle,const char* symbol) 
该函数在文件中。 
handle是由dlopen打开动态链接库后返回的指针，symbol就是要求获取的函数的名称，函数返回值是void*,指向函数的地址，供调用使用

取动态对象地址：
#include
void *dlsym(void *pHandle, char *symbol);
dlsym根据动态链接库操作句柄(pHandle)与符号(symbol),返回符号对应的地址。
使用这个函数不但可以获取函数地址，也可以获取变量地址。比如，假设在so中
定义了一个void mytest()函数，那在使用so时先声明一个函数指针：
void (*pMytest)(),然后使用dlsym函数将函数指针pMytest指向mytest函数，
pMytest = (void (*)())dlsym(pHandle, "mytest");

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dlclose
dlclose（） 
包含头文件： 
#include  
函数原型为: 
int dlclose (void *handle); 
函数描述： 
dlclose用于关闭指定句柄的动态链接库，只有当此动态链接库的使用计数为0时,才会真正被系统卸载。

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dlerror
dlerror（） 
包含头文件： 
#include  
函数原型: 
const char *dlerror(void); 
函数描述： 
当动态链接库操作函数执行失败时，dlerror可以返回出错信息，返回值为NULL时表示操作函数执行成功。

LINUX创建与使用动态链接库并不是一件难事。
编译函数源程序时选用-shared选项即可创建动态链接库，注意应以.so后缀命名，最好放到公用库目录(如/lib,/usr/lib等)下面，并要写好用户接口文件，以便其它用户共享。
使用动态链接库，源程序中要包含dlfcn.h头文件，写程序时注意dlopen等函数的正确调用，编译时要采用-rdynamic选项与-ldl选项 ，以产生可调用动态链接库的执行代码。

    EXAMPLE  
    Load the math library, and print the cosine of 2.0: #include   
    #include   
      
    int main(int argc, char **argv) {  
        void *handle;  
        double (*cosine)(double);  
        char *error;  
      
        handle = dlopen ("libm.so", RTLD_LAZY);  
        if (!handle) {  
            fprintf (stderr, "%s ", dlerror());  
            exit(1);  
        }  
      
        cosine = dlsym(handle, "cos");  
        if ((error = dlerror()) != NULL)  {  
            fprintf (stderr, "%s ", error);  
            exit(1);  
        }  
      
        printf ("%f ", (*cosine)(2.0));  
        dlclose(handle);  
        return 0;  
    }  
    #include   
    #include   
      
    int main(int argc, char **argv) {  
        void *handle;  
        double (*cosine)(double);  
        char *error;  
      
        handle = dlopen ("libm.so", RTLD_LAZY);  
        if (!handle) {  
            fprintf (stderr, "%s ", dlerror());  
            exit(1);  
        }  
      
        cosine = dlsym(handle, "cos");  
        if ((error = dlerror()) != NULL)  {  
            fprintf (stderr, "%s ", error);  
            exit(1);  
        }  
      
        printf ("%f ", (*cosine)(2.0));  
        dlclose(handle);  
        return 0;  
    }  
      
     If this program were in a file named "foo.c", you would build the program with the following command:   
      
     gcc -rdynamic -o foo foo.c -ldl  

如果文件名filename是以“/”开头，也就是使用绝对路径，那么dlopne就直接使用它，而不去查找某些环境变量或者系统设置的函数库所在的目录了。否则dlopen（）

就会按照下面的次序查找函数库文件：

1. 环境变量LD_LIBRARY指明的路径。 
2. /etc/ld.so.cache中的函数库列表。 
3. /lib目录，然后/usr/lib。不过一些很老的a.out的loader则是采用相反的次序，也就是先查/usr/lib，然后是/lib。
Dlopen()函数中，参数flag的值必须是RTLD_LAZY或者RTLD_NOW，RTLD_LAZY的意思是resolve undefined symbols as code from the dynamic library is executed，而RTLD_NOW的含义是resolve all undefined symbols before dlopen() returns and fail if this cannot be done'。

如果有好几个函数库，它们之间有一些依赖关系的话，例如X依赖Y，那么你就要先加载那些被依赖的函数。例如先加载Y，
然后加载X。

dlopen（）函数的返回值是一个句柄，然后后面的函数就通过使用这个句柄来做进一步的操作。如果打开失败dlopen()就返回一个NULL。如果一个函数库被多次打开，它会返回同样的句柄。

如果一个函数库里面有一个输出的函数名字为_init,那么_init就会在dlopen（）这个函数返回前被执行。我们可以利用这个函数在我的函数库里面做一些初始化的工作。我们后面会继续讨论这个问题的。