细说程序编译、链接、运行中的静态库、动态库

前言，什么是库？

通俗的说，库就是把这些常用函数的目标文件打包在一起，提供相应函数的接口，便于程序员使用。库是别人写好的现有的，成熟的，可以复用的代码，我们只需要知道其接口如何定义，便可以自如使用。

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。比如我们常使用的printf函数，就是c标准库提供的函数。我们在使用时只需要包含相应的头文件就可以使用（非静态编译还要有相应的库文件）。而不用关心printf函数具体是如何实现的，这样就大大提高了程序员编写代码的效率。

库的种类

在windows平台和linux平台下都大量存在着库。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。由于windows和linux的本质不同，因此二者库的二进制是不兼容的。本文仅限于介绍linux下的库。

我们通常把一些公用函数制作成函数库，供其它程序使用。函数库分为静态库和动态库（共享库）两种，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的可执行程序中，程序运行时将不再需要该静态库，因此目标可执行程序体积较大。

动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，在编译过程中仅简单的引用，在程序运行时才被载入内存，因此在程序运行时还需要动态库存在，目标可执行程序体积较小。

在windows中
.dll 动态库
.lib 静态库

在linux中
.so 动态库
.a  静态库
库即为源代码的二进制文件

库的生成及链接 

静态库的后缀是.a，它的产生分两步

Step 1.由源文件编译生成一堆.o，每个.o里都包含这个编译单元的符号表
Step 2.ar命令将很多.o转换成.a，成文静态库
动态库的后缀是.so，它由gcc加特定参数编译产生。
例如:
$ gcc -fPIC -c *.c $ gcc -shared -Wl,-soname, libfoo.so.1 -olibfoo.so.1.0 *.

以linux下的静态库和动态库为例我们研究一下，首先我们看一下他们的生成方式。

静态库：

首先将源文件编译成目标文件：gcc –c a.c b.c

生成静态库：ar –rc libstatic.a a.o b.o

共享库：

同静态库一样编译成目标文件：gcc –c a.c b.c

生成共享库：gcc –fPIC –shared –o libshared.so a.o b.o

由此可见静态库和动态库都是对目标文件的处理，也可以说库文件已经是机器码文件了，静态库和共享库的加载过程有很大的区别。

静态库的链接方法：
gcc –o staticcode –L. –lstatic main.c –static(默认库在当前文件夹)
共享库的链接方法： 
gcc –o sharedcode  -L. –lshared main.c(默认库在当前文件夹)

当程序与静态库连接时，库中目标文件所含的所有将被程序使用的函数的机器码被copy到最终的可执行文件中。这就会导致最终生成的可执行代码量相对变多，相当于编译器将代码补充完整了，这样运行起来相对就快些。不过会有个缺点: 占用磁盘和内存空间. 静态库会被添加到和它连接的每个程序中, 而且这些程序运行时, 都会被加载到内存中. 无形中又多消耗了更多的内存空间.
与共享库连接的可执行文件只包含它需要的函数的引用表，而不是所有的函数代码，只有在程序执行时, 那些需要的函数代码才被拷贝到内存中。这样就使可执行文件比较小, 节省磁盘空间，更进一步，操作系统使用虚拟内存，使得一份共享库驻留在内存中被多个程序使用，也同时节约了内存。不过由于运行时要去链接库会花费一定的时间，执行速度相对会慢一些，总的来说静态库是牺牲了空间效率，换取了时间效率，共享库是牺牲了时间效率换取了空间效率，没有好与坏的区别，只看具体需要了。
另外，一个程序编好后，有时需要做一些修改和优化，如果我们要修改的刚好是库函数的话，在接口不变的前提下，使用共享库的程序只需要将共享库重新编译就可以了，而使用静态库的程序则需要将静态库重新编译好后，将程序再重新编译一便。

库文件命名

在linux下，库文件一般放在/usr/lib和/lib下，

静态库的名字一般为libxxxx.a，其中xxxx是该lib的名称

动态库的名字一般为libxxxx.so.major.minor，xxxx是该lib的名称，major是主版本号， minor是副版本号

库的操作

1.如何知道一个可执行程序依赖哪些库
ldd命令可以查看一个可执行程序依赖的共享库，
例如# ldd /bin/lnlibc.so.6
=> /lib/libc.so.6 (0×40021000)/lib/ld-linux.so.2
=> /lib/ld- linux.so.2 (0×40000000)
可以看到ln命令依赖于libc库和ld-linux库
 
2.可执行程序在执行的时候如何定位共享库文件
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(dynamiclinker/loader)
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
 
3.在新安装一个库之后如何让系统能够找到他
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
a.编辑/etc/ld.so.conf文件，加入库文件所在目录的路径
b.运行ldconfig，该命令会重建/etc/ld.so.cache文件

linux中编译静态库(.a)和动态库(.so)的基本方法

静态库

在linux环境中, 使用ar命令创建静态库文件.如下是命令的选项:

          d -----从指定的静态库文件中删除文件

          m -----把文件移动到指定的静态库文件中

          p -----把静态库文件中指定的文件输出到标准输出

          q -----快速地把文件追加到静态库文件中

          r -----把文件插入到静态库文件中

          t -----显示静态库文件中文件的列表

          x -----从静态库文件中提取文件

      还有多个修饰符修改以上基本选项,详细请man ar 以下列出三个:

          a -----把新的目标文件(*.o)添加到静态库文件中现有文件之后

          b-----***************************************之前

          v -----使用详细模式

ar 命令的命令行格式如下:

      ar[-]{dmpqrtx}[abcfilNoPsSuvV] [membername] [count] archive files...

参数archive定义库的名称, files是库文件中包含的目标文件的清单, 用空格分隔每个文件.

 

比如创建一个静态库文件的命令如下:

      ar r libapue.a error.oerrorlog.o lockreg.o

这样就了libapue.a静态库文件, 可以用 t 选项显示包含在库中的文件

创建库文件之后,可以创建这个静态库文件的索引来帮助提高和库连接的其他程序的编译速度：

使用ranlib程序创建库的索引,索引存放在库文件内部.

      ranlib libapue.a

 

用nm程序显示存档文件的索引,它可以显示目标文件的符号

nm libapue.a | more

如果是显示目标文件的符号:

nm error.o | more

如何使用呢?如下所示:

gcc -o test test.c libapue.a

这样就可以在test.c中调用在libapue.a中的函数了.

共享库

1.创建共享库

     gcc -shared -o libapue.soerror.o errorlog.o

这样就创建了共享库!

2.编译共享库

    假设共享库位于当前目录(即跟程序文件相同的目录中)

gcc -o test -L. -lapue test.c

这样就编译出了不包含函数代码可执行文件了,但是但你运行时会发现linux动态加载器找不到libapue.so文件.

可以用ldd 命令查看可执行文件依赖什么共享库:

ldd test

如何才能让动态加载器发现库文件呢?有两种方法可以解决:

    1.环境变量

       exportLD_LIBRARY_PATH="$LD_LIBRARY_PATH:."

    2.修改/etc/ld.so.conf文件.

 

一般应用程序的库文件不与系统库文件放在同一个目录下,一般把应用程序的共享库文件放在/usr/local/lib下,新建一个属于自己的目录apue,然后把刚才libapue.so复制过去就行了

同时在/etc/ld.so.conf中新增一行:

/usr/local/lib/apue

 

以后在编译程序时加上编译选项:

-L /usr/local/lib/apue -lapue

 

/*

参数的配置通过mangcc可以看到

-llibrary

              连接名为 library 的 库文件.

              连接器 在 标准搜索目录 中 寻找 这个 库文件, 库文件 的 真正 名 字

【参考文章】

动态库与静态库优缺点比较：

http://blog.csdn.net/sunshinewave/article/details/39155755

Linux下动态库(.so)和静态库(.a)：

http://blog.csdn.net/felixit0120/article/details/7652907

Linux中的动态库和静态库：

http://www.cnblogs.com/findumars/p/5421910.html

静态库和动态库详解：

http://www.cnblogs.com/striveLD/p/5752010.html

C++静态库与动态库：

http://blog.jobbole.com/86852/