探索静态库与动态库的“奥秘”

什么是库？

所谓“库”，就是稳定成熟的可以复用的代码；库从本质上来说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。

库有两种：静态库（.a(linux)、.lib(windows)）和动态库（.so(linux)、.dll(windows)）。

所谓静态、动态是指链接,可以看下编译链接的过程：

![](https://imgkr2.cn-bj.ufileos.com/f2a8fda1-66d4-47e6-a4b6-6e5639e1daa1.png?UCloudPublicKey=TOKEN_8d8b72be-579a-4e83-bfd0-5f6ce1546f13&Signature=3fZDTRS0uPZia6VWBJbYBfqzxY8%253D&Expires=1603582823)

库与可执行文件区别：

库文件无法直接执行，从生产库的源码中可以查看出，源码是没有`main`函数，都是一些函数模块的定义和实现，由于没有主入口，所以无法直接运行库。

静态库是什么？

静态库实际就是一些目标文件(一般以.o结尾)的集合，静态库一般以.a结尾，只用于链接生成可执行文件阶段。这里注意区分下linux环境下是以.a结尾的，而windows环境下是以.lib结尾的（我这里就使用linux版本进行，文章就主要以linux环境进行撰写）

在链接步骤中，连接器将从库文件取得所需的代码，复制到生成的可执行文件中。这种库称为静态库；

特点：

可执行文件中包含了库代码的一份完整拷贝

缺点:

缺点就是被多次使用就会有多份冗余拷贝。
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`libxxx.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;

静态库生成

创建静态库的步骤：

写源文件，通过 `g++ -c xxx.cpp` 生成目标文件。
用 `ar` 归档目标文件，生成静态库。（ar cr libhello.a hello.o）
使用静态库中函数的头文件。
使用静态库时，在源码中包含对应的头文件，链接生成的静态库。

生成静态库案例

文件：aLibTest.h aLibTest.cpp main.cpp

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/20201019# ls aLibTest.cpp aLibTest.h main.cpp

aLibTest.h

#include <iostream>

using namespace std;

int getParam();

aLibTest.cpp

#include "aLibTest.h"

int getParam()
{
    int iparam = 10;
    iparam++;
    return iparam;
}

制作动态库：

先编译生成`.o`链接文件

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~~/GDB/20201019# g++ aLibTest.cpp -c root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~~/GDB/20201019# ls aLibTest.cpp aLibTest.h aLibTest.o main.cpp

归档，生成静态库

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/20201019# ar cr libaLibTest.a aLibTest.o
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/20201019# ls
aLibTest.cpp  aLibTest.h  aLibTest.o  libaLibTest.a  main.cpp

main函数调用

main.cpp

#include "aLibTest.h"

int main()
{
    int res = getParam();
    cout<<"res:"<<res<<endl;
    return 0;
}

链接

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/20201019# g++ main.cpp -L. -laLibTest
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/20201019# ./a.out 
res:11

通过使用makefile做到自动化

CXX=g++

build:libaLibTest.a

libaLibTest.a:aLibTest.o
 ar crv $@ aLibTest.o

aLibTest.o:aLibTest.cpp
 $(CXX) -c aLibTest.cpp

target:aLibTest

aLibTest:main.cpp
 $(CXX) main.cpp -o $@ -L. -laLibTest

使用make build会构建出libaLibTest.a，使用make target生成可执行文件；

动态库是什么？

Linux下动态库文件的文件名形如 libxxx.so，其中so是 Shared Object 的缩写，即可以共享的目标文件。

动态库**在链接阶段没有被复制到程序中，而是程序在运行时由系统动态加载到内存中供程序调用。

特点：

使用动态库的优点是系统只需载入一次动态库，不同的程序可以得到内存中相同的动态库的副本

优点：

节省了内存

动态库生成

创建动态库的步骤：

编写源文件。
将一个或几个源文件编译链接，生成共享库。
通过 `-L -lxxx` 的`gcc`选项链接生成的`libxxx.so`。
把`libxxx.so`放入链接库的标准路径，或指定 `LD_LIBRARY_PATH`，才能运行链接了`libxxx.so`的程序。

生成动态库案例

还是上面的代码，这里直接使用上面的代码进行动态库的生成和使用

制作动态库：

先编译生成.o链接文件

-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。

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# g++ -fPIC -c aLibTest.cpp 
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# ls
aLibTest.cpp  aLibTest.h  aLibTest.o  main.cpp

生成动态库（链接器选项-shared）

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# g++ -shared -o libaLibTest.so aLibTest.o
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# ls
aLibTest.cpp  aLibTest.h  aLibTest.o  libaLibTest.so  main.cpp

其实可以一步就生成：

g++ -fPIC -shared -o libaLibTest.so aLibTest.cpp

main函数调用
```
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# g++ main.cpp -L. -o main -laLibTest
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# ls
aLibTest.cpp  aLibTest.h  aLibTest.o  libaLibTest.so  main  main.cpp
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# ./main 
./main: error while loading shared libraries: libaLibTest.so: cannot open shared object file: No such file or directory
```
我们发现，明明我们的动态库就在当前目录下，为什么会找不到呢？
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

我们直接将我们生成的文件拷贝至/usr/lib下，再次运行：

root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# cp libaLibTest.so /usr/lib
root@iZuf67on1pthsuih96udyfZ:~/GDB/sharedtest# ./main 
res:11

当然，加载动态库不止这一种方式，我们代码中往往使用的是一些函数，具体会出一篇文章，先做个插曲~

小插曲（常用参数）

-l参数就是用来指定程序要链接的库，-l参数紧接着就是库名，拿数学库来说，它的库名是m，它的库文件名是`libm.so`，很容易看出，把库文件名的头`lib`和尾`.so`去掉就是库名了。
-L参数跟着的是库文件所在的目录名。比如我们把`libtest.so`放在`/tmp`目录下，那链接参数就是`-L/tmp -ltest`另外，大部分`libxxxx.so`只是一个链接;
`-include`用来包含头文件，但一般情况下包含头文件都在源码里用`#include xxxxxx`实现，`-include`参数很少用。`-I`参数是用来指定头文件目录，`/usr/include`目录一般是不用指定的，`gcc`知道去那里找，但是如果头文件不在`/usr/include`里我们就要用`-I`参数指定了，比如头文件放在`/myinclude`目录里，那编译命令行就要加上`-I/myinclude`参数了，如果不加你会得到一个`"xxxx.h: No such file or directory"`的错误。`-I`参数可以用相对路径，比如头文件在当前目录，可以用`-I.`来指定;

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