Linux下的静态链接库和动态链接库

前言

学习Linux动态链接库是一个绕不开的话题，我们今天就一起来看一下什么是动态链接库、动态链接库有什么好处、如何编译出一个动态链接库等几个关于动态链接库的几个基本概念，废话少说咱们直接开始！

链接库是什么？

当使用 C 编程语言编写一个应用程序时，我们不可能每个程序都从最底层开始编写，这样的话无论是学习还是工作，都会带来很多的不便，于是库就出现了。

我们可以把库理解成前辈给我们写好的可以直接拿来用的、成熟的代码。本质上来所库是一种可执行的二进制文件，可以直接被操作系统载入内存执行，库有两种：静态库（.a、.lib）和动态库（.so、.dll）。

你的代码通常有多个库文件，库文件是计算机中给我们提供的一类函数、变量或类，我们无需知道他们是具体是怎么实现的，我们只需要关心它是怎么使用的，比如需要哪些参数、实现什么功能、返回值是什么样的等等。

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。

静态链接库

静态链接库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为 .a 。

我们需要注意的是静态库是会随着编译一起被编译到 .o 文件中的，即一旦程序编译静态库与汇编生成的目标文件一起链接为可执行文件，那么静态库必定跟.o文件格式相似，只有这样才能和目标文件成功链接。

静态链接库的特点

• 静态库对函数库的链接是放在编译时期完成的。

• 程序在运行时与函数库再无瓜葛，移植方便。

• 浪费空间和资源，因为所有相关的目标文件与牵涉到的函数库被链接合成一个可执行文件。

动态链接库

通过上面对静态链接库的介绍我们其实对库应该已经有个概念了，既然有静态链接库那肯定就存在动态的链接库，那什么是动态链接库呢？我们一起来看一下！

我们知道静态链接库会占用很多不必要的资源，那我们就能想到动态链接库的第一个特点肯定就是节省资源。

动态库在程序编译时并不会像静态链接库那样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。

动态库一般后缀名为 .so，gcc/g++在编译时默认使用动态库。无论静态库，还是动态库，都是由 .o 文件创建的。

动态库的编译

下面通过一个例子来介绍如何生成一个动态库。
建一个头文件：dynamic.h
三个.cpp文件：dynamic_a.cpp、dynamic_b.cpp, dynamic_c.cpp
我们将这几个文件编译成一个动态库：libdynamic.so。

dynamic.h

#ifndef __DYNAMIC_H_
#define __DYNAMIC_H_
#include 
void dynamic_a();
void dynamic_b();
void dynamic_c();
#endif
1
2
3
4
5
6
7

dynamic_a.cpp

#include"dynamic.h"
void dynamic_a()
{
  cout<<"this is in dynamic_a "<<endl;
}
1
2
3
4
5

dynamic_b.cpp

#include"dynamic.h"
void dynamic_b()
{
  cout<<"this is in dynamic_b "<<endl;
}
1
2
3
4
5

dynamic_c.cpp

#include"dynamic.h"
void dynamic_c()
{
  cout<<"this is in dynamic_c "<<endl;
}
1
2
3
4
5

将这几个文件编译成动态库libdynamic.so。编译命令如下：

g++ dynamic_a.cpp dynamic_b.cpp dynamic_c.cpp -fPIC -shared -o libdynamic.so
1

参数说明：
-shared：该选项指定生成动态连接库
-fPIC：表示编译为位置独立的代码，不用此选项的话编译后的代码是位置相关的，所以动态载入时是通过代码拷贝的方式来满足不同进程的需要，而不能达到真正代码段共享的目的。

在上面的部分，我们已经生成了一个libdynamic.so的动态链接库，现在我们用一个程序来调用这个动态链接库。

main.cpp

#include"dynamic.h"
int main()
{
  dynamic_c();
  dynamic_c();
  dynamic_c();
  return 0;
}
1
2
3
4
5
6
7
8

将main.cpp与libdynamic.so链接成一个可执行文件main，命令如下：

g++ main.cpp -L. -ldynamic -o main
1

参数说明：
-L：表示要连接的库在当前目录中
-ldynamic：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.so来确定库的名称。

测试可执行程序main是否已经链接的动态库libdynamic.so，如果列出了libdynamic.so，那么就说明正常链接了。可以执行以下命令：

ldd main
1

如果运行：

./main
1

出现错误：

error while loading shared libraries: libdynamic.so: cannot open shared object file: No such file or directory
1

错误原因：

ld提示找不到库文件，而库文件就在当前目录中。

链接器ld默认的目录是/lib和/usr/lib，如果放在其他路径也可以，需要让ld知道库文件在哪里。

解决方法1：

编辑/etc/ld.so.conf文件，在新的一行中加入库文件所在目录；比如笔者应添加：/home/neu/code/Dynamic_library

sudo ldconfig
1

目的是用ldconfig加载，以更新/etc/ld.so.cache文件。

静态库的编译

就以以上代码演示，最好把生成的动态库的东西全部删掉。

编译静态库

g++ -c dynamic_a.cpp dynamic_b.cpp dynamic_c.cpp  
1

使用ar命令创建静态库文件（把目标文档归档）

ar cr libstatic.a dynamic_a.o dynamic_b.o dynamic_c.o  //cr标志告诉ar将object文件封装(archive)
1

参数说明：

  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 
  a 把新的目标文件(*.o)添加到静态库文件中现有文件之后 
1
2
3
4
5
6
7
8

使用nm -s 命令来查看.a文件的内容

nm -s libstatic.a 
1

链接静态库

g++ main.cpp -lstatic -L. -static -o main//这里的-static选项是告诉编译器,hello是静态库也可以用

//g++ main.cpp -lstatic -L.  -o main 
1
2
3

执行以下命令，因为笔者还是用的动态库的代码，所以结果一样

./main
1

动态链接库的优点

• 节省资源；
• 可以实现进程间资源共享；
• 更新、部署、发布简单；
• 可以控制动态库的加载时间（何时加载）；

关于第二点我们该如何理解呢？进程间的资源共享就是说，某个程序的在运行中要调用某个动态链接库函数的时候，操作系统首先会查看所有正在运行的程序，看在内存里是否已有此库函数的拷贝了。如果有，则让其共享那一个拷贝，只有没有才链接载入。

这样的模式虽然会带来一些 “动态链接” 额外的开销，却大大的节省了系统的内存资源。C的标准库就是动态链接库，也就是说系统中所有运行的程序共享着同一个C标准库的代码段。

结语

我们在编写程序的时候，可以根据需求选择什么时候或者什么情况下，链接载入哪个动态链接库函数。你可以有一个相当大的软件，但每次运行的时候，由于不同的操作需求，只有一小部分程序被载入内存。

所有的函数本着 “有需求才调入” 的原则，于是大大节省了系统资源。比如现在的软件通常都能打开若干种不同类型的文件，这些读写操作通常都用动态链接库来实现。

在一次运行当中，一般只有一种类型的文件将会被打开。所以直到程序知道文件的类型以后再载入相应的读写函数，而不是一开始就将所有的读写函数都载入，然后才发觉在整个程序中根本没有用到它们。