【Linux】动态库&静态库

在最初学习GCC的使用的时候，提到了动态、静态库的创建办法。今天就让我们来详细了解一番，它们之间究竟有何不同吧！

演示所用系统：centos7.6

1.动态库和静态库

先来了解一下动态库和静态库的基本概念吧！

• 静态库.a 程序编译链接的时候，把静态库的代码连接到自己的可执行程序中，程序运行的时候将不再需要静态库
• 动态库.so 程序在运行的时候才去链接动态库的代码，多个程序共享库的代码

2.生成

测试所用代码 👉 点我

我写好了两个头文件和两个源文件，为了减少博客篇幅，此处只贴出.c的函数实现

//myMath.c
#include"myMath.h"
int Add(int a,int b)
{
    return a+b;
}

//myPrint.c
#include "myPrint.h"
void Print(const char* msg)
{
    printf("time: %d, msg: %s\n",(unsigned int)time(NULL),msg);
}
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2.1 静态库

生成静态库所用命令为ar -rc，对应的完整make操作如下

libMytest.a:myMath.o myPrint.o
	ar -rc libMytest.a myMath.o myPrint.o
myMath.o:myMath.c
	gcc -c myMath.c -o myMath.o
myPrint.o:myPrint.c
	gcc -c myPrint.c -o myPrint.o
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生成好静态库后，我们可以用 ar -tv命令来查看该库的目录列表

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ ar -tv libmytest.a
rw-rw-r-- 1001/1001   1240 Nov  3 09:28 2022 myMath.o
rw-rw-r-- 1001/1001   1632 Nov  3 09:28 2022 myPrint.o
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ 
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2.2 动态库

动态库的生成无需额外的命令，只需要在gcc编译的时候，指定-shared即可

同时，依赖的.o文件也需要用-fPIC来编译

-fPIC 与位置无关码，和动态库的特性有关
-shared 代表需要编译一个动态库
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其make操作如下

libmytest.so:myMath.o myPrint.o
	gcc -shared -o libmytest.so myMath.o myPrint.o
myMath.o:myMath.c
	gcc -fPIC -c myMath.c -o myMath.o
myPrint.o:myPrint.c
	gcc -fPIC -c myPrint.c -o myPrint.o
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2.3 一并发布

这里我写了一个更加完整的makefile，可以同时编译生成动静态库，并将其打包到一个指定的文件夹内

.PHONY:all
all:libmytest.so libmytest.a

.PHONY:lib
lib:
	mkdir -p lib-static/lib
	mkdir -p lib-static/include
	cp *.a lib-static/lib
	cp *.h lib-static/include
	mkdir -p lib-dynamic/lib
	mkdir -p lib-dynamic/include
	cp *.so lib-dynamic/lib
	cp *.h lib-dynamic/include

libmytest.so:myMath.o myPrint.o
	gcc -shared -o libmytest.so myMath.o myPrint.o
myMath.o:myMath.c
	gcc -fPIC -c myMath.c -o myMath.o
myPrint.o:myPrint.c
	gcc -fPIC -c myPrint.c -o myPrint.o

libmytest.a:myMath.o myPrint.o
	ar -rc libmytest.a myMath.o myPrint.o
myMath_s.o:myMath.c
	gcc -c myMath.c -o myMath_s.o
myPrint_s.o:myPrint.c
	gcc -c myPrint.c -o myPrint_s.o

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o *.a *.so lib-static lib-dynamic
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3.使用

#include "myPrint.h"
#include "myMath.h"
#include "stdio.h"

int main()
{
    printf("ret %d\n",Add(1,2));
    Print("这是一个测试");
    return 0;
}
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当我们使用了动静态库后，就没有办法直接编译这个可执行程序了

muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ gcc test.c
/tmp/ccKHwYHv.o: In function `main':
test.c:(.text+0xf): undefined reference to `Add'
test.c:(.text+0x2a): undefined reference to `Print'
collect2: error: ld returned 1 exit status
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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这是因为，gcc没办法找到我们对应的头文件

• ""是在当前路径下找
• <>是在库目录下面找

因为我们的头文件既不在当前路径，也不在系统的库中，所以gcc就没有办法找到头文件和函数声明

3.1 静态库

链接静态库的方法如下

gcc test.c -L../lib-static/lib/ -I../lib-static/include/ -lmytest -o test
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• -L选项后带的是库的路径
• -I选择后带的是头文件的搜索路径
• -l(小写的L)选项带的是库的名字，需要去掉库文件名前面的lib和后缀.a
• -o test代表生成可执行文件名为test

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ gcc test.c -L../lib-static/lib/ -I ../lib-static/include/ -lmytest -o test
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ./test
ret 3
time: 1667441311, msg: 这是一个测试
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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特点

静态库的特点便是，其库的实现已经被编译链接进入了可执行程序，即便我们将库给删除，也不影响可执行程序的运行

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ make clean
rm -rf *.o *.a *.so lib-static lib-dynamic
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ ll
total 24
-rw-rw-r-- 1 muxue muxue  702 Nov  3 09:28 makefile
-rw-rw-r-- 1 muxue muxue   60 Nov  3 08:52 myMath.c
-rw-rw-r-- 1 muxue muxue   35 Nov  3 08:51 myMath.h
-rw-rw-r-- 1 muxue muxue  117 Nov  3 09:01 myPrint.c
-rw-rw-r-- 1 muxue muxue   77 Nov  3 09:01 myPrint.h
drwxrwxr-x 2 muxue muxue 4096 Nov  3 09:50 test
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ ./test/./test
ret 3
time: 1667440486, msg: 这是一个测试
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库]$ 
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如果我们把自己的库的实现丢入了系统的库目录下（一般是/lib64/）编译的时候就不需要带-L选项了，只需要用-l指定库名即可

gcc test.c -lmytest
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但是将自己的库丢入系统库路径下的操作并不推荐，就和你将自己的可执行程序丢入/usr/bin路径里面一样，会污染系统的环境

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3.2 动态库

动态库和静态库链接的基本方式是一样的

gcc test.c -L../lib-dynamic/lib/ -I ../lib-dynamic/include/ -lmytest -o testd
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这里选项的含义和上面完全一致，不同的是运行的时候

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ./testd
./testd: error while loading shared libraries: libmytest.so: cannot open shared object file: No such file or directory
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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直接运行，你会发现报错了！这个报错的大概意思就是找不到动态库文件

ldd命令

使用ldd命令查看testd可执行文件的动态库结构，会发现我们自己的库是没有找到的

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ldd testd
        linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffd051fe000)
        /$LIB/libonion.so => /lib64/libonion.so (0x00007f7de6d19000)
        libmytest.so => not found
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f7de6832000)
        libdl.so.2 => /lib64/libdl.so.2 (0x00007f7de662e000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f7de6c00000)
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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这是因为，动态库的特点便是运行的时候也需要指定！这是一个动态链接的过程！

动态链接

动态库需要执行动态链接：在可执行程序开始运行之前，外部函数的机器码由操作系统从磁盘上的该动态库复制到内存中

刚刚我们的指定只是告诉了gcc编译器库路径在哪儿，但是可执行程序运行的时候并不知道！

那么如何让可执行程序找到我们的动态库呢？

• 将动态库拷贝到系统的/lib64文件夹中
• 通过修改环境变量的方式，类似于PATH，可执行程序运行的时候，会自动到LD_LIBRARY_PATH里面找动态库
• 修改系统配置文件

3.3 找到动态库

3.3.1 环境变量LD_LIBRARY_PATH

和修改PATH的环境变量一样，我们可以通过修改环境变量的方式增加动态库的查找路径

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/
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修改了之后的环境变量如下

LD_LIBRARY_PATH=:/home/muxue/.VimForCpp/vim/bundle/YCM.so/el7.x86_64:/home/muxue/.VimForCpp/vim/bundle/YCM.so/el7.x86_64:/home/muxue/.VimForCpp/vim/bundle/YCM.so/el7.x86_64:/home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/
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再次运行./testd 成功执行！

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ./testd
ret 3
time: 1667443224, msg: 这是一个测试
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修改配置文件的办法，便是将该路径永久写入环境变量（修改环境变量的操作只对当前bash有效）这里就不演示辣！

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ldd testd
        linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffde04ea000)
        /$LIB/libonion.so => /lib64/libonion.so (0x00007fe9000bc000)
        libmytest.so => /home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/libmytest.so (0x00007fe8ffda1000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fe8ff9d3000)
        libdl.so.2 => /lib64/libdl.so.2 (0x00007fe8ff7cf000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fe8fffa3000)
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ldd命令的结果也显示出了我们自己写的动态库的路径

3.3.2 /etc/ld.so.conf.d

除了修改环境变量，我们还可以修改/etc/ld.so.conf.d下的文件

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ls /etc/ld.so.conf.d
bind-export-x86_64.conf  kernel-3.10.0-1160.62.1.el7.x86_64.conf  kernel-3.10.0-1160.76.1.el7.x86_64.conf
dyninst-x86_64.conf      kernel-3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64.conf  mariadb-x86_64.conf
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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这里的操作非常简单，我们只需要在该目录下新增一个.conf文件，并在里面写入动态库的绝对路径即可！

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ls /etc/ld.so.conf.d
bind-export-x86_64.conf  kernel-3.10.0-1160.62.1.el7.x86_64.conf  kernel-3.10.0-1160.76.1.el7.x86_64.conf  mytest.conf
dyninst-x86_64.conf      kernel-3.10.0-1160.71.1.el7.x86_64.conf  mariadb-x86_64.conf
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ cat /etc/ld.so.conf.d/mytest.conf
/home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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设置了之后，第一次运行，还是显示找不到动态库

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ./testd
./testd: error while loading shared libraries: libmytest.so: cannot open shared object file: No such file or directory
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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我们只需要执行下面的命令让配文件生效，就OK了！

sudo ldconfig #子用户权限不够，需要加sudo
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执行完该命令后，可执行程序也能成功运行了1

[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ sudo ldconfig
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ ./testd
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time: 1667448942, msg: 这是一个测试
[muxue@bt-7274:~/git/linux/code/22-11-02_动静态库/test]$ 
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测试完毕之后，建议将配置文件删除，并重新加载动态库配置文件

sudo rm /etc/ld.so.conf.d/mytest.conf
sudo ldconfig
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这样做是避免污染

3.3.3 在lib64下创建一个软连接

ln -s /home/muxue/git/linux/code/22-11-02_动静态库/lib-dynamic/lib/libmytest.so /lib64/libmytest.so
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创建软连接的方式和将我们的文件复制进去本质是一样的，只不过软连接只是一个快捷方式，如果我们把源给删了，软连接也会失效

这部分就不做演示了

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4.优劣

4.1 静态库

静态库编译之后的可执行程序可以脱离静态库运行，也不需要知道库的路径。

即便这个库被删除，也丝毫不影响我们的可执行程序

4.2 动态库

动态库的代码只需要一份，所有的可执行程序便都可以使用

在运行期间，动态库可以被多个进程所共享。但前提是，可执行程序需要知道该动态库的路径，以便将其加载到内存中（或者找到它在内存中的位置）

这样就保证了多个进程同时使用同一个库，节省了内存的消耗，也节省了磁盘空间

这里动态库的可执行文件大小，小于静态库的可执行文件

因为测试的代码不多，所以差距尚不明显

5.动态库-fPIC的作用

参考https://blog.csdn.net/itworld123/article/details/117587091

gcc -fPIC -c myMath.c -o myMath.o
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fPIC 的全称是 Position Independent Code， 用于生成位置无关代码

什么是位置无关代码？

个人理解是代码无绝对跳转，跳转都为相对跳转

如果我们的静态库中，不使用其他库的代码（比如stdio.h）

int fuc(int a)
{
	return ++a;
}
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这时候，就可以再编译的时候不带-fPIC 否则会报错

/usr/bin/ld: /tmp/ccCViivC.o: relocation R_X86_64_32 against `.rodata' can not be used when making a shared object; recompile with -fPIC
/tmp/ccCViivC.o: could not read symbols: Bad value
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但显然，这种情况是非常少见的，所以我们一般编译动态库的时候，都需要带上这个参数，来实现真正意义上的动态库编译

• 加 fPIC 选项生成的动态库，显然是位置无关的，这样的代码本身就能被放到线性地址空间的任意位置，无需修改就能正确执行。通常的方法是获取指令指针的值，加上一个偏移得到全局变量 / 函数的地址。
• 加 fPIC 选项的源文件对于它引用的函数头文件编写有很宽松的尺度。比如只需要包含个声明的函数的头文件，即使没有相应的 C 文件来实现，编译成 so 库照样可以通过。
• 对于不加 fPIC，则加载 so 文件时，需要对代码段引用的数据对象需要重定位，重定位会修改代码段的内容，这就造成每个使用这个 .so 文件代码段的进程在内核里都会生成这个 .so 文件代码段的 copy。每个 copy 都不一样，取决于这个 .so 文件代码段和数据段内存映射的位置。这种方式更消耗内存，优点是加载速度可能会快一丢丢，弊大于利

结语

动静态库的基本认识到这里就OVER辣，大家也可以去尝试下载一些第三方的库来使用，比如在树莓派上最常用的wiringPi库，还有C++的boost库等等

sudo yum install -y boost-devel
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