C/C++程序编译与链接(四) 创建动态库

创建动态库

在Linux中创建动态库通过如下过程完成：
gcc -fPIC -c first.c second.c
gcc -shared first.o second.o -o libdynamiclib.so
按照Linux的惯例，动态以lib作为前缀，并以.so作为文件扩展名。
需要两个必要的选项

• fPIC，告诉编译器使用位置无关代码技术。

fPIC本质上是用于辅助加载器加载程序，可以使多个进程可以无缝映射到已加载动态库的内存映射中。
有一点还需要注意的是：如果静态库是链接到动态库中，那么就在编译静态库时就必须使用**-fPIC**选项编译。否则链接器会报错。

• shared，告诉编译器生成动态库。

设计动态库

动态库本质上是一种代码复用的技术，动态库提供功能接口给客户程序，而使客户程序不必关心内部实现细节。
对动态库的，需要特别注意ABI兼容和接口的可见效性。

ABI兼容

ABI的全称是Application Binary Interfance，应用程序二进制接口。
ABI与API相同的概念，但是两者的侧重不一样。API是指代码层面的接口，在代码层面客户程序关注所依赖库，提供的接口定义，返回值等特征。而ABI是指客户程序和所依赖的库被编译成二进制文件后，在链接器，加载器层面对应的符号是否匹配。
其实站在开发者的角度，认为API与ABI是应该等价的，代码里的接口匹配，难道编译后，二进制文件中的接口对应的符号还不匹配吗？是的，对C++来说是要需要关注这些问题。

ABI兼容也是C++饱受诟病的问题，它是C++的复杂性造成，并且因为各个编译器厂商没有统一ABI标准而加剧。同一套代码，使用不同的编译器而导致无法链接到客户程序。
最被广泛认识的造成C++ ABI兼容的问题是：符号修饰。
C++引入的命名空间，类，私有，公有等一些面向对象的语法。在编码层面这些机制很好的保证了模块的划分及命名冲突。但是在编译层面也引入了符号命名的复杂性，因为在变成二进制符号时，可没这些概念，但是编译器也需要保证符号唯一，所以会有一套符号命令规则。
这套规则并没有标准化，各个厂家间，甚至同一厂家不同的版本间也可能不兼容。
gcc中有个比较典型的ABI兼容情况，也是我们比较容易遇到的，从GCC 5.1开始为了兼容C++ 11标准，对std::string和 std::list的命令空间进行了更改，相应的符号也变化了。从std::string变为了std::__cx11:string，从std::list变为了std::__cx11::string。
所以如果依赖库所使用的编译器是gcc5.1之前的版本，而客户程序使用的是gcc5.1版本，那么在链接时，std::string和std::list的因为两个版本的编译器生成的符号不一样，而会导致链接失败。有两个解决方法：

1. 都用同一版本的gcc编译。
2. 使用_GLIBCXX_USE_CXX11_ABI宏

加入编译选项 -D_GLIBCXX_USE_CXX11_ABI=1/0

所以容易遇到ABI兼容问题的场景：

• 客户程序与所依赖的库，使用的是不同的编译器编译

比如在Linux下客户程序用的gcc，而所依赖的库使用clang编译。

• 客户程序与所依赖的库，使用同一编译器的不同版本

比如我们上面所举的GCC的例子。

当然我们也并不需要掌握ABI兼容问题的细节，只要我们做到以下几点就可以避免绝大多数ABI兼容问题：

• 客户程序与所依赖的库，尽量用同一个编译器同一版本编译
• 以C语言风格设计接口

在C语言中并没有符号修饰，对调用约定，内存布局，编译器也做到了统一。
通过extern "C"让编译器生成不带修辞的符号名。

#ifdef __cplusplus
extern "C"
{
    int Function(int x,int y);
}
#endif //__cplusplus

接口中的数据类型也使用C语言的类型。比如将std::string替换为char[]。如果是自定义类则改为结构体。在C++中是兼容C语言的类型内存布局的。在接口实现时，可以使用C++实现。

动态符号的可见性

动态库应该只向客户程序暴露所需求的接口。所以需要控制接口对外的可见性。
**在Linux中所有符号默认都是外部可见的，**可以通过以下几种方法来控制Linux下符号的可见性：

1. -fvisibility=hidden

在编译动态库时加入该编译选项，那么所有的动态符号都置为对外不可见，任何尝试链接该动态库的客户程序将无法访问这些符号。

2. __attribute__((visibility("

通过在函数前面使用编译属性修饰，可以指示链接器运行或禁止对外提供该符号。

3. strip工具

直接通过strip工具抹除动态库中的某个符号。

示例

如下是两个简单的示例代码文件:

void function1(void);
void function2(void);
void function3(void);

#include 
#include "sharedLib.h"
void function1(void) {
    printf("function1\n");
}

void function2(void) {
    printf("function2\n");
}

void function3(void) {
    printf("function3\n");
}

#include "sharedLib.h"
int main() {
    function1();
    function2();
    function3();
}

gcc -fPIC -shared sharedLib.c -o libsharedLib.so
生成动态libsharedLib.so

通过nm libsharedLib.so查看它的符号，如下：

00000000000006f5 T function1
0000000000000707 T function2
0000000000000719 T function3

符号的类型都是T类型，表示位于代码区的符号，对外可见。

链接动态库，生成test可执行程序
gcc main.c -L. -lsharedLib -o test
在运行test程序时，需要设置LD_LIBRARY_PATH环境变量，用于指定libsharedLib.so的路径。使加载器能找到它。

控制符号可见性

通过-fvisibility

• 在编译时添加-fvisibility编译选项，让所有符号默认不可见

-fvisibility=hidden -fvisibility-inlines-hidden

再通过该编译选项将libsharedLib.so的接口都改为不可见。
gcc -fPIC -shared sharedLib.c -fvisibility=hidden -fvisibility-inlines-hidden -o libsharedLib.so

通过nm libsharedLib.so查看符号，如下

0000000000000675 t function1
0000000000000687 t function2
0000000000000699 t function3

符号类型变为t，表示为内部符号，对外不可见。
那么链接libsharedLib.so库时就会报错，如下：

gcc main.c -L. -lsharedLib -o test

main.c:(.text+0x5)：对‘function1’未定义的引用
main.c:(.text+0xa)：对‘function2’未定义的引用
main.c:(.text+0xf)：对‘function3’未定义的引用

• 通过__attribute__((visibility("default")))修饰需要导出的符号

将符号改为不可见，同时通过改属性，设置某个方法为可见。设置function1为可见。

#include 
#include "sharedLib.h"
#define FUNC_EXPORT __attribute__((visibility("default")))
void FUNC_EXPORT function1(void) {
    printf("function1\n");
}

void function2(void) {
    printf("function2\n");
}

void function3(void) {
    printf("function3\n");
}

将function1设置为了可见，重新编译。
gcc sharedLib.c -fPIC -shared -fvisibility=hidden -fvisibility-inlines-hidden -o libsharedLib.so
通过nm libsharedLib.so查看其符号，如下:

0000000000000675 T function1
0000000000000687 t function2
0000000000000699 t function3

function1变为了可见，其它两个都是不可见。

通过strip工具删除指定符号

strip --strip-symbol 符号名，直接通过strip命令简单粗暴的删除动态库中的符号。当然它也可以删除静态库中的符号。
strip --strip-symbol function1 libsharedLib.so，删除libsharedLib.so中的符号function1。