C++ 静态库和动态库 详解

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前言

通过本文，你可以了解：
1、一个程序是如何从源文件生成可执行文件的；
2、静态链接库和动态链接库的来龙去脉；
3、如何创建和使用静态链接库(.lib)和动态链接库(.dll);
4、如何使用和配置第三方库。

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一、程序和进程

程序(或者狭义上讲可执行文件)是一个静态的概念,它就是一些预先编译好的指令和数据集合的一个文件;进程则是一个动态的概念,它是程序运行时的一个过程,很多时候把动态库叫做运行时( Runtime )也有一定的含义。有人做过一个很有意思的比喻,说把程序和进程的概念跟做菜相比较的话,那么程序就是菜谱,计算机的CPU就是人,相关的厨具则是计算机的其他硬件,整个炒菜的过程就是一个进程。计算机按照程序的指示把输入数据加工成输出数据,就好像菜谱指导着人把原料做成美味可口的菜肴。从这个比喻中我们还可以扩大到更大范围,比如一个程序能在两个CPU上执行等。

二、一个程序从源文件编译生成可执行文件的步骤

预编译（Processing）、编译（Compilation）、汇编（Assembly）、链接（Linking）。

1.编译

(1)预编译，即预处理，主要处理在源代码文件中以“#”开始的预编译指令，如宏展开、处理条件编译指令、处理#include指令等。

(2)编译过程就是把预处理完的文件进行一系列词法分析、语法分析、语义分析以及优化后生成相应的汇编代码文件。

(3)汇编是将汇编代码转变成机器可以执行的指令。

至此，C源代码文件经过预编译、编译和汇编直接输出目标文件（.o文件）。 这个过程也就是编译器所做的事（即 将高级语言翻译成机器语言），比如我们用"C/C+语言写的一个程序可以使用编译器将其翻译成机器可以执行的指令及数据。
现代的编译器将一个源代码文件编译成一个未链接的目标文件，然后由链接器最终将这些目标文件链接起来形成可执行文件。

2.链接

程序设计的模块化是人们一直在追求的目标,因为当一个系统十分复杂的时候,我们不,得不将一个复杂的系统逐步分割成小的系统以达到各个突破的目的。一个复杂的软件也如此,人们把每个源代码模块独立地编译,然后按照须要将它们“组装”起来,这个组装模块的过程就是链接(Linking),链接的主要内容就是把各个模块之间相互引用的部分都处理好,使得各个模块之间能够正确地衔接。

三、静态链接

最基本的静态链接过程如图所示。每个模块的源代码文件(如.c)文件经过编译器编译成目标文件(Objet File,一般扩展名为.o或.obj), 目标文件和库(Library)一起链接形成最终可执行文件。而最常见的库就是运行时库(Runtime Library),它是支持程序运行的基本函数的集合。库其实是一组目标文件的包,就是一些最常用的代码编译成目标文件后打包存放。

在书中看到一个具体的例子，可以加深对静态链接的理解：

现代的编译和链接过程也并非想象中的那么复杂,它还是一个比较容易理解的概念。比如我们在程序模块main.c中使用另外一个模块func.c中的函数foo()。我们在main.c模块中每一处调用foo的时候都必须确切知道foo这个函数的地址,但是由于每个模块都是单独编译的,在编译器编译main.c的时候它并不知道foo函数的地址,所以它暂时把这些调用foo的指令的目标地址搁置,等待最后链接的时候由链接器去将这些指令的目标地址修正。如果没有链接器,须要我们手工把每个调用foo的指令进行修正,则填入正确的foo函数地址。当func.c模块被重新编译, foo函数的地址有可能改变时,那么我们在main.c中所有使用到foo的地址的指令将要全部重新调整。这些繁琐的工作将成为程序员的噩梦。使用链接器,你可以直接引用其他模块的函数和全局变量而无须知道它们的地址,因为链接器在链接的时候,会根据你所引用的符号foo, 白动去相应的func.c模块查找foo的地址,然后将main.c模块中所有引用到foo的指令重新修正,让它们的目标地址为真正的foo函数的地址。这就是静态链接的最基本的过程和作用。

四、动态链接

静态链接这种方法的确很简单,原理上很容易理解,实践上很难实现,在操作系统和硬件不发达的早期,绝大部分系统采用这种方案。随着计算机软件的发展,这种方法的缺点很,快就暴露出来了,那就是静态连接的方式对于计算机内存和磁盘的空间浪费非常严重。特别是多进程操作系统情况下,静态链接极大地浪费了内存空间,想象一下每个程序内部除了都保留着printf()函数、scanf()函数、strlen()等这样的公用库函数,还有数量相当可观的其他库函数及它们所需要的辅助数据结构。此外，静态链接对程序的更新、部署和发布也会带来很多麻烦，即一旦程序中有任何模块更新,整个程序就要重新链接、发布给用户。比如一个程序有20个模块,每个模块1 MB,那么每次更新任何一个模块,用户就得重新获取这个20 MB的程序。如果程序都使用静态链接,那么通过网络来更新程序将会非常不便,因为一旦程序任何位置的一个小改动,都会导致整个程序重新下载。

要解决空间浪费和更新困难这两个问题最简单的办法就是把程序的模块相互分割开来,形成独立的文件,而不再将它们静态地链接在一起。简单地讲,就是不对那些组成程序的目标文件进行链接,等到程序要运行时才进行链接。也就是说,把链接这个过程推迟到了运行时再进行,这就是**动态链接(Dynamic Linking)**的基本思想。同样举个小例子：

还是以Program1和Program2为例,假设我们保留Programl.o、Program2.o和Lib.o三个目标文件。当我们要运行Program1这个程序时,系统首先加载Program1.o,当系统发现Program1.o中用到了Lib.o,即Program1.o依赖于Lib.o,那么系统接着加载Lib.o,如果Program1.0或Lib.o还依赖于其他目标文件,系统会按照这种方法将它们全部加载至内存。所有需要的目标文件加载完毕之后,如果依赖关系满足,即所有依赖的目标文件都存在于磁盘,系统开始进行链接工作。这个链接工作的原理与静态链接非常相似,包括符号解析、地址重定位等。完成这些步骤之后,系统开始把控制权交给Program1.o的程序入口处,程序开始运行。这时如果我们需要运行Program2,那么系统只需要加载Program2.o,而不需要重新加载Lib.o,因为内存中已经存在了一份Lib.o的副本,系统要做的只是将Program2.0和Lib.o链接起来。

在Windows系统中，动态链接文件被称为动态链接库，也就是常见的“.dll”扩展名的文件。

五、两者的区别

静态库：函数和数据被编译进一个二进制文件(通常扩展名为.LIB)。在使用静态库的情况下，在编译链接可执行文件时，链接器从库中复制这些函数和数据并把它们和应用程序的其它模块组合起来创建最终的可执行文件(.EXE文件)。

在使用动态库的时候，往往提供两个文件：一个引入库和一个DLL。引入库包含被DLL导出的函数和变量的符号名，DLL包含实际的函数和数据。在编译链接可执行文件时，只需要链接引入库，DLL中的函数代码和数据并不复制到可执行文件中，在运行的时候，再去加载DLL，访问DLL中导出的函数。

总结来说，二者的不同点在于代码被载入的时刻不同。

• 静态库在程序编译时会被连接到目标代码中，程序运行时将不再需要该静态库，因此体积较大。

• 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，因此在程序运行时还需要动态库存在，因此代码体积较小。

动态库的好处是，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。带来好处的同时，也会有问题！如经典的DLL Hell问题，关于如何规避动态库管理问题，可以自行查找相关资料。

六、静态库和动态库的创建和使用

具体的创建和使用过程可参考以下文章，介绍得十分详细：
https://blog.csdn.net/qq_41786318/article/details/79545018

参考

[1]《程序员的自我修养—链接、装载与库》
[2] C++静态库与动态库（比较透彻）https://blog.csdn.net/qq_41786318/article/details/79545018