C编译: 动态连接库 (.so文件)

在“纸上谈兵: 算法与数据结构”中，我在每一篇都会有一个C程序，用于实现算法和数据结构 (比如栈和相关的操作)。在同一个程序中，还有用于测试的main()函数，结构体定义，函数原型，typedef等等。

这样的做法非常不“环保”。算法的实际运用和算法的实现混在一起。如果我想要重复使用之前的源程序，必须进行许多改动，并且重新编译。最好的解决方案是实现模块化: 只保留纯粹的算法实现，分离头文件，并编译一个库(library)。每次需要使用库的时候(比如使用栈数据结构)，就在程序中include头文件，连接库。这样，不需要每次都改动源程序。

我在这里介绍如何在UNIX环境中创建共享库 (shared library)。UNIX下，共享库以so为后缀(shared object)。共享库与Windows下的DLL类似，是在程序运行时动态连接。多个进程可以连接同一个共享库。

 

共享库

本文使用Ubuntu测试，使用gcc作为编译器。

 

程序清理

下面程序来自纸上谈兵: 栈 (stack)，是栈数据结构的C实现:

/* By Vamei *//* use single-linked list to implement stack */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>typedef struct node *position;typedef int ElementTP;// point to the  head node of the listtypedef struct node *STACK; struct node {    ElementTP element;    position next;};STACK init_stack(void);void delete_stack(STACK);ElementTP top(STACK);void push(STACK, ElementTP);ElementTP pop(STACK);int is_null(STACK);void main(void){    ElementTP a;    int i;    STACK sk;    sk = init_stack();    push(sk, 1);    push(sk, 2);    push(sk, 8);    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));    for (i=0; i<3; i++) {        a = pop(sk);        printf("pop: %d\n", a);    }    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));        delete_stack(sk);}/* * initiate the stack * malloc the head node. * Head node doesn't store valid data * head->next is the top node */STACK init_stack(void){    position np;    STACK    sk;    np = (position) malloc(sizeof(struct node));    np->next     = NULL;  // sk->next is the top node    sk = np;     return sk;}/* pop out all elements  * and then delete head node */void delete_stack(STACK sk){    while(!is_null(sk)) {        pop(sk);    }    free(sk);}/*  * View the top frame */ElementTP top(STACK sk){    return (sk->next->element);}/* * push a value into the stack */void push(STACK sk, ElementTP value) {    position np, oldTop;    oldTop = sk->next;        np = (position) malloc(sizeof(struct node));    np->element  = value;    np->next     = sk->next;    sk->next     = np; }/*  * pop out the top value */ElementTP pop(STACK sk){    ElementTP element;    position top, newTop;    if (is_null(sk)) {        printf("pop() on an empty stack");        exit(1);    }     else {        top      = sk->next;        element  = top->element;             newTop   = top->next;        sk->next     = newTop;        free(top);        return element;    } }/* check whether a stack is empty*/int is_null(STACK sk){    return (sk->next == NULL);}

上面的main()部分是用于测试，不属于功能模块，在创建库的时候应该去掉。

 

程序中的一些声明，会被重复利用。比如:

typedef struct node *position;typedef int ElementTP;// point to the  head node of the listtypedef struct node *STACK; struct node {    ElementTP element;    position next;};STACK init_stack(void);void delete_stack(STACK);ElementTP top(STACK);void push(STACK, ElementTP);ElementTP pop(STACK);int is_null(STACK);

这一段程序声明了一些结构体和指针，以及栈操作的函数原型。当我们其他程序中调用库时 (比如创建一个栈，或者执行pop操作)，同样需要写这些声明。我们把这些在实际调用中需要的声明保存到一个头文件mystack.h。在实际调用的程序中，可以简单的include该头文件，避免了每次都写这些声明语句的麻烦。

 

经过清理后的C程序为mystack.c:

/* By Vamei *//* use single-linked list to implement stack */#include <stdio.h>#include <stdlib.h>
#include "mystack.h"


/* * initiate the stack * malloc the head node. * Head node doesn't store valid data * head->next is the top node */STACK init_stack(void){    position np;    STACK    sk;    np = (position) malloc(sizeof(struct node));    np->next     = NULL;  // sk->next is the top node    sk = np;     return sk;}/* pop out all elements  * and then delete head node */void delete_stack(STACK sk){    while(!is_null(sk)) {        pop(sk);    }    free(sk);}/*  * View the top frame */ElementTP top(STACK sk){    return (sk->next->element);}/* * push a value into the stack */void push(STACK sk, ElementTP value) {    position np, oldTop;    oldTop = sk->next;        np = (position) malloc(sizeof(struct node));    np->element  = value;    np->next     = sk->next;    sk->next     = np; }/*  * pop out the top value */ElementTP pop(STACK sk){    ElementTP element;    position top, newTop;    if (is_null(sk)) {        printf("pop() on an empty stack");        exit(1);    }     else {        top      = sk->next;        element  = top->element;             newTop   = top->next;        sk->next     = newTop;        free(top);        return element;    } }/* check whether a stack is empty*/int is_null(STACK sk){    return (sk->next == NULL);}

#include "..."; 语句将首先在工作目录寻找相应文件。如果使用gcc时，增加-I选项，将在-I提供的路径中寻找。

 

制作.so文件

我们的目标是制作共享库，即.so文件。

 

首先，编译stack.c:

$gcc -c -fPIC -o mystack.o mystack.c

-c表示只编译(compile)，而不连接。-o选项用于说明输出(output)文件名。gcc将生成一个目标(object)文件mystack.o。

注意-fPIC选项。PIC指Position Independent Code。共享库要求有此选项，以便实现动态连接(dynamic linking)。

 

生成共享库:

$gcc -shared -o libmystack.so mystack.o

库文件以lib开始。共享库文件以.so为后缀。-shared表示生成一个共享库。

 

这样，共享库就完成了。.so文件和.h文件都位于当前工作路径(.)。

 

使用共享库

我们编写一个test.c，来实际调用共享库:

#include <stdio.h>#include "mystack.h"
/*
 * call functions in mystack library
 */void main(void){    ElementTP a;    int i;    STACK sk;    sk = init_stack();    push(sk, 1);    push(sk, 2);    push(sk, 8);    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));    for (i=0; i<3; i++) {        a = pop(sk);        printf("pop: %d\n", a);    }    printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));        delete_stack(sk);}

注意，我们在程序的一开始include了mystack.h。

 

编译上述程序。编译器需要知道.h文件位置。

• 对于#include "..."，编译器会在当前路径搜索.h文件。你也可以使用-I选项提供额外的搜索路径，比如-I/home/vamei/test。
• 对于#include <...>，编译器会在默认include搜索路径中寻找。

编译器还需要知道我们用了哪个库文件，在gcc中:

• 使用-l选项说明库文件的名字。这里，我们将使用-lmystack (即libmystack库文件)。
• 使用-L选项说明库文件所在的路径。这里，我们使用-L. (即.路径)。

如果没有提供-L选项，gcc将在默认库文件搜索路径中寻找。

 

你可以使用下面的命令，来获知自己电脑上的include默认搜索路径:

$`gcc -print-prog-name=cc1` -v   

获知库默认搜索路径:

$gcc -print-search-dirs

 

我们所需的.h和.so文件都在当前路径，因此，使用如下命令编译:

$gcc -o test test.c -lmystack -L.

将生成test可执行文件。

 

使用

$./test

执行程序

 

运行程序

尽管我们成功编译了test可执行文件，但很有可能不能执行。一个可能是权限问题。我们需要有执行该文件的权限，见Linux文件管理背景知识

另一个情况是:

./test: error while loading shared libraries: libmystack.so: cannot open shared object file: No such file or directory

 

这是因为操作系统无法找到库。libmystack.so位于当前路径，位于库文件的默认路径之外。尽管我们在编译时(compile time)提供了.so文件的位置，但这个信息并没有写入test可执行文件(runtime)。可以使用下面命令测试:

$ldd test

ldd用于显示可执行文件所依赖的库。显示:

    linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fff31dff000)    libmystack.so => not found    libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fca30de7000)    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fca311cb000)

这说明test可执行文件无法找到它所需的libmystack.so库文件。

 

为了解决上面的问题，我们可以将.so文件放入默认搜索路径中。但有时，特别是多用户环境下，我们不享有在默认搜索路径写入的权限。

一个解决方案是设置LD_LIBRARY_PATH环境变量。比如:

$export LD_LIBRARY_PATH=.

这样，可执行文件执行时，操作系统将在先在LD_LIBRARY_PATH下搜索库文件，再到默认路径中搜索。环境变量的坏处是，它会影响所有的可执行程序。如果我们在编译其他程序时，如果我们不小心，很可能导致其他可执行文件无法运行。因此，LD_LIBRARY_PATH环境变量多用于测试。

另一个解决方案，即提供-rpath选项，将搜索路径信息写入test文件(rpath代表runtime path)。这样就不需要设置环境变量。这样做的坏处是，如果库文件移动位置，我们需要重新编译test。使用如下命令编译test.c:

$gcc -g -o test test.c -lmystack -L. -Wl,-rpath=.

-Wl表示，-rpath选项是传递给连接器(linker)。

 

test顺利执行的结果为:

Stack is null? 0pop: 8pop: 2pop: 1Stack is null? 1

http://www.cnblogs.com/vamei/archive/2013/04/04/2998850.html