Linux和Windonws下静态库与动态库（动态库篇）

Linux和Windonws下静态库与动态库（动态库篇）

1、动态库

对于静态函数库，动态函数库在编译的时候 并没有被编译进目标代码中，你的程序执行到相关函数时才调用该函数库里的相应函数，因此动态函数库所产生的可执行文件比较小。由于函数库没有被整合进你的程序，而是程序运行时动态的申请并调用，所以程序的运行环境中必须提供相应的库。动态函数库的改变并不影响你的程序，所以动态函数库的升级比较方便。

2、为什么要动态库

为什么需要动态库，其实也是静态库的特点导致。

•   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：

•   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。
•   可以实现进程之间的资源共享。（因此动态库也称为共享库）
•   将一些程序升级变得简单。
•   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。

•    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。
•    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。

3、Linux下创建与使用动态库
 
linux动态库的命名规则：动态链接库的名字形式为 libxxx.so，前缀是lib，后缀名为“.so”。

•    针对于实际库文件，每个共享库都有个特殊的名字“soname”。在程序启动后，程序通过这个名字来告诉动态加载器该载入哪个共享库。
•    在文件系统中，soname仅是一个链接到实际动态库的链接。对于动态库而言，每个库实际上都有另一个名字给编译器来用。它是一个指向实际库镜像文件的链接文件（lib+soname+.so）。

创建动态库（.so）
编写四则运算动态库代码：

DynamicMath.h头文件

#pragma once
sudo apt-get install updateclass DynamicMath
{
public:
        DynamicMath(void);
        ~DynamicMath(void);
 
        static double add(double a, double b);//加
        static double sub(double a, double b);//减
        static double mul(double a, double b);//乘
        static double div(double a, double b);//除
        void print();
};

• 首先，生成目标文件，此时要加编译器选项-fpic

g++ -fPIC -c DynamicMath.cpp

-fPIC 创建与地址无关的编译程序（pic，position independent code），是为了能够在多个应用程序间共享。

•   然后，生成动态库，此时要加链接器选项-shared

g++ -shared -o libdynmath.so DynamicMath.o

-shared指定生成动态链接库。

其实上面两个步骤可以合并为一个命令：

g++ -fPIC -shared -o libdynmath.so DynamicMath.cpp

使用动态库

编写使用动态库的测试代码：

#include "../DynamicLibrary/DynamicMath.h"#include <iostream>using namespace std;int main(int argc, char* argv[]){    double a = 10;    double b = 2;     cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;    cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;    cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;    cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;     DynamicMath dyn;    dyn.print();    return 0;}

引用动态库编译成可执行文件（跟静态库方式一样）：

g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath

然后运行：./a.out，发现竟然报错了！！！

可能大家会猜测，是因为动态库跟测试程序不是一个目录，那我们验证下是否如此：

发现还是报错！！！那么，在执行的时候是如何定位共享库文件的呢？

1. 当系统加载可执行代码时候，能够知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道绝对路径。此时就需要系统动态载入器(dynamic linker/loader)。
2. 对于elf格式的可执行程序，是由ld-linux.so*来完成的，它先后搜索elf文件的 DT_RPATH段—环境变量LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache文件列表—/lib/,/usr/lib 目录找到库文件后将其载入内存。

如何让系统能够找到它：

•    如果安装在/lib或者/usr/lib下，那么ld默认能够找到，无需其他操作。
•    如果安装在其他目录，需要将其添加到/etc/ld.so.cache文件中，步骤如下：
  •    编辑/etc/ld.so.conf文件，加入库文件所在目录的路径
  •    运行ldconfig ，该命令会重建/etc/ld.so.cache文件

我们将创建的动态库复制到/usr/lib下面，然后运行测试程序。

4、Windows下创建与使用动态库

创建动态库（.dll）与Linux相比，在Windows系统下创建动态库要稍微麻烦一些。首先，需要一个DllMain函数做出初始化的入口（创建win32控制台程序时，勾选DLL类型会自动生成这个文件）：

dllmain.cpp入口文件

// dllmain.cpp : Defines the entry point for the DLL application.
#include "stdafx.h"
 
BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,DWORD  ul_reason_for_call,LPVOID lpReserved)
{
    switch (ul_reason_for_call)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH:
    case DLL_THREAD_ATTACH:
    case DLL_THREAD_DETACH:
    case DLL_PROCESS_DETACH:
        break;
    }
    return TRUE;
}

通常在导出函数的声明时需要有_declspec(dllexport)关键字：

DynamicMath.h头文件

#pragma once
class DynamicMath
{
public:
    __declspec(dllexport) DynamicMath(void);
    __declspec(dllexport) ~DynamicMath(void);
 
    static __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法
    static __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//减法
    static __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法
    static __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法
 
    __declspec(dllexport) void print();
};

生成动态库需要设置工程属性，打开工程“属性面板”è“配置属性”è“常规”，配置类型选择动态库。

方法一：

   工程“属性面板”è“通用属性”è “框架和引用”è”添加引用”，将显示“添加引用”对话框。“项目”选项卡列出了当前解决方案中的各个项目以及可以引用的所有库。 在“项目”选项卡中，选择 DynamicLibrary。 单击“确定”。

   添加DynamicMath.h 头文件目录，必须修改包含目录路径。打开工程“属性面板”è”配置属性”è “C/C++”è” 常规”，在“附加包含目录”属性值中，键入DynamicMath.h 头文件所在目录的路径或浏览至该目录。

编译运行OK。

图：动态库测试结果（vs）

方法二：

•    “属性面板”è“配置属性”è “链接器”è“常规”，附加依赖库目录中输入，动态库所在目录；

•    “属性面板”è“配置属性”è “链接器”è“输入”，附加依赖库中输入动态库编译出来的DynamicLibrary.lib。

这里可能大家有个疑问，动态库怎么还有一个DynamicLibrary.lib文件？即无论是静态链接库还是动态链接库，最后都有lib文件，那么两者区别是什么呢？其实，两个是完全不一样的东西。

StaticLibrary.lib的大小为190KB，DynamicLibrary.lib的大小为3KB，静态库对应的lib文件叫静态库，动态库对应的lib文件叫【导入库】。实际上静态库本身就包含了实际执行代码、符号表等等，而对于导入库而言，其实际的执行代码位于动态库中，导入库只包含了地址符号表等，确保程序找到对应函数的一些基本地址信息。

5、动态库的显式调用
上面介绍的动态库使用方法和静态库类似属于隐式调用，编译的时候指定相应的库和查找路径。其实，动态库还可以显式调用。【在C语言中】，显示调用一个动态库轻而易举！
在Linux下显式调用动态库
#include <dlfcn.h>，提供了下面几个接口：

•    void * dlopen( const char * pathname, int mode )：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。
•    void* dlsym(void* handle,const 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。
•    int dlclose (void *handle)：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。
•    const char *dlerror(void)：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。

在Windows下显式调用动态库
应用程序必须进行函数调用以在运行时显式加载 DLL。为显式链接到 DLL，应用程序必须：

• 调用 LoadLibrary（或相似的函数）以加载 DLL 和获取模块句柄。
• 调用 GetProcAddress，以获取指向应用程序要调用的每个导出函数的函数指针。由于应用程序是通过指针调用 DLL 的函数，编译器不生成外部引用，故无需与导入库链接。
• 使用完 DLL 后调用 FreeLibrary。

显式调用C++动态库注意点

对C++来说，情况稍微复杂。显式加载一个C++动态库的困难一部分是因为C++的name mangling；另一部分是因为没有提供一个合适的API来装载类，在C++中，您可能要用到库中的一个类，而这需要创建该类的一个实例，这不容易做到。


name mangling可以通过extern "C"解决。C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数：extern "C" 。用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名，就像C函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为extern "C"，并且不能被重载。尽管限制多多，extern "C"函数还是非常有用，因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern "C"限定符后，并不意味着函数中无法使用C++代码了，相反，它仍然是一个完全的C++函数，可以使用任何C++特性和各种类型的参数。

另外如何从C++动态库中获取类，附上几篇相关文章，但我并不建议这么做：

•    《LoadLibrary调用DLL中的Class》：http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html
•    《C++ dlopen mini HOWTO》：http://blog.csdn.net/littlegrizzly/article/details/7491022
  

“显式”使用C++动态库中的Class是非常繁琐和危险的事情，因此能用“隐式”就不要用“显式”，能静态就不要用动态。

附件：Linux下库相关命令

g++(gcc)编译选项

•    -shared ：指定生成动态链接库。
•    -static ：指定生成静态链接库。
•    -fPIC ：表示编译为位置独立的代码，用于编译共享库。目标文件需要创建成位置无关码， 念上就是在可执行程序装载它们的时候，它们可以放在可执行程序的内存里的任何地方。
•    -L. ：表示要连接的库所在的目录。
•    -l：指定链接时需要的动态库。编译器查找动态连接库时有隐含的命名规则，即在给出的名字前面加上lib，后面加上.a/.so来确定库的名称。
•    -Wall ：生成所有警告信息。
•    -ggdb ：此选项将尽可能的生成gdb 的可以使用的调试信息。
•    -g ：编译器在编译的时候产生调试信息。
•    -c ：只激活预处理、编译和汇编,也就是把程序做成目标文件(.o文件) 。
•    -Wl,options ：把参数(options)传递给链接器ld 。如果options 中间有逗号,就将options分成多个选项,然后传递给链接程序。

nm命令
有时候可能需要查看一个库中到底有哪些函数，nm命令可以打印出库中的涉及到的所有符号。库既可以是静态的也可以是动态的。nm列出的符号有很多，常见的有三种：

•    一种是在库中被调用，但并没有在库中定义(表明需要其他库支持)，用U表示；
•    一种是库中定义的函数，用T表示，这是最常见的；
•    一种是所谓的弱态”符号，它们虽然在库中被定义，但是可能被其他库中的同名符号覆盖，用W表示。

$nm libhello.h

ldd命令
ldd命令可以查看一个可执行程序依赖的共享库，例如我们编写的四则运算动态库依赖下面这些库：

总结
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。