Linux库之动态库静态库

一、什么是库（Library）
二、库的分类
三、静态库、动态库优缺点
四、静态库的制作和使用
五、动态库的制作和使用
SO-NAME–解决主版本号之间的兼容问题
基于符号的版本机制
共享库系统路径
共享库的查找过程
有用的环境变量
gcc 编译器常用选项

Linux共享库、静态库、动态库详解

一、什么是库（Library）

在计算机编程中，库（Library）是一组预先编写好的可重用代码的集合，旨在为软件开发者提供特定功能或一组功能。库通常包含一组函数、例程、类、变量等，开发者可以在自己的程序中引用这些库以实现特定的任务，而无需编写相同的功能代码。

有两种主要类型的库：

  1. 静态库（Static Library）： 静态库是在编译时与程序链接的，链接过程会将库的代码嵌入到最终的可执行文件中。这意味着可执行文件包含了程序和库的所有代码，使得程序可以独立运行，但也导致可执行文件的体积较大。静态库的文件通常具有.lib（在Windows上）或.a（在类Unix系统上）的扩展名。

  2. 动态库（Dynamic Library）： 动态库是在运行时加载到内存中的，程序在需要时链接到库。这样，多个程序可以共享同一份库的实例，减小了可执行文件的体积。动态库的文件通常具有.dll（在Windows上）或.so（在类Unix系统上）的扩展名。

使用库的主要好处包括：

  • 代码重用： 可以使用库中的功能而不必重复编写相同的代码。
  • 模块化： 库可以被看作是程序的模块，有助于代码的组织和管理。
  • 可维护性： 对库的修改和升级可以在所有使用该库的程序中生效。

一些常见的编程库包括标准库（如C标准库、C++标准库）、图形库（如OpenGL）、网络库（如libcurl）、数学库（如NumPy）、GUI库（如Qt）、数据库访问库（如SQLite）。

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。就是将源代码转化为二进制格式的源代码，相当于进行了加密，别人可以使用库，但是看不到库中的内容。

二、库的分类

库（Library）可以根据其使用和链接方式的不同分为不同的类型。主要的三种库类型包括：

  1. 静态函数库（Static Link Library）： 静态库在编译时被链接到目标程序中，链接器将库的代码整合到最终的可执行文件中。这意味着目标程序独立于库文件，包含了库的实现。静态库的文件通常具有.lib（在Windows上）或.a（在类Unix系统上）的扩展名。静态库的优点是运行时不需要额外的加载步骤，但缺点是多个程序如果使用相同的库，会导致代码冗余。

  2. 共享函数库（Shared Library 或 Dynamic Link Library）： 共享库在运行时被加载到内存中，而不是在编译时被链接到目标程序中。多个程序可以共享同一份库的实例，这减小了每个程序的体积。共享库的文件通常具有.dll（在Windows上）或.so（在类Unix系统上）的扩展名。共享库的优点是减小了可执行文件的体积，但需要在运行时动态加载，可能引入一些开销。

  3. 动态加载库（Dynamic Loading Library）： 动态加载库是一种在程序运行时根据需要加载的库。程序可以在运行时选择性地加载和卸载这些库，而不是在程序启动时就加载全部。动态加载库通常与操作系统提供的动态链接库机制一起使用。这种方式允许程序更灵活地管理库的使用。

这三种库类型各有优缺点，选择取决于具体的应用场景和需求。

在这里插入图片描述

在Linux系统中，共享库（动态链接库）的命名规则通常遵循以下格式：

libname.so.x.y.z

其中各部分含义如下：

  • lib: 固定表示这是一个共享库文件。
  • name: 共享库的名称。
  • so: 固定表示这是一个共享对象（shared object）库。
  • x: 主版本号。当进行不兼容的更改时增加，通常表示库的接口发生了重大变化。
  • y: 次版本号。在保持向后兼容性的情况下进行的更改。
  • z: 发行版本号。通常表示对库的轻微更改或修复。

例如，如果一个库的名字是libexample.so，主版本号是1，次版本号是2，发行版本号是3，那么完整的库文件名可能是libexample.so.1.2.3。

对于静态库，命名通常为：

libname.a

其中各部分含义相同，只是没有版本号，因为静态库在编译时已经被链接到可执行文件中，不涉及版本问题。

win平台下，静态库通常后缀为 .lib，动态库为 .dll
linux平台下，静态库通常后缀为 .a，动态库为 .so

1. 静态库

所谓静态库，就是在静态编译时由编译器到指定目录寻找并且进行链接，一旦链接完成，最终的可执行程序中就包含了该库文件中的所有有用信息，包括代码段、数据段等。

静态链接库在程序编译时会被链接到目标代码中，目标程序运行时将不再需要改动态库，加载速度快，移植方便，体积较大，浪费控件和资源，因为所有相关的对象文件与牵涉到库都被链接合成一个可执行文件，这样导致可执行文件的体积较大。

2. 动态库

所谓动态库，就是在应用程序运行时，由操作系统根据应用程序的请求，动态到指定目录下寻找并装载入内存中，同时需要进行地址重定向。

动态库在程序编译时并不会被链接到目标代码中，而是在程序运行时才被载入，因为可执行文件体积较小。有了动态库，程序的升级会相对比较简单，比如某个动态库升级了，只需要更换这个动态库的文件，而不需要去更换可执行文件。但要注意的是，可执行程序在运行时需要能找到动态库文件。

三、静态库、动态库优缺点

静态库：

优点：

1.静态库被打包到应用程序中加载速度快
2.发布程序无需提供静态库，因为已经在app中，移植方便

缺点：

1.链接时完整地拷贝至可执行文件中，被多次使用就有多份冗余拷贝。
2.更新、部署、发布麻烦。

动态库：

优点：

1.链接时不复制，程序运行时由系统动态加载到内存，供程序调用，系统只加载一次，多个程序可以共用，节省内存。
2.程序升级简单，因为app里面没有库的源代码，升级之后只要库的名字不变，函数名以及参数不变，只是实现做了优化，就能加载成功。

缺点：

加载速度比静态库慢
发布程序需要提供依赖的动态库

四、静态库的制作和使用

(1)命名规则
静态库文件名的命名方式是“libxxxx.a”,库名前加“lib”，后缀用“.a”，“xxx”为静态库名。

(2)制作步骤
原材料：源代码 .c 或者 .cpp

将 .c文件生成 .o

gcc test.c -c

将 .o 打包
ar rcs 静态库的名字 原材料

ar rcs libxxxx.a test.o

(3)库的使用
-I(大写i)：指定头文件搜索路径 默认默认路径 /usr/include/

-L: 指定库文件搜索路径

-l(小写L)：链接名为libmycalc.a的共享库指定库的名字（去掉lib和.a）

-o:指定生成的最终应用程序的名字

gcc main.c -I /usr/include/ -L ./lib -lmycalc -o app

这个命令是将main.c文件编译成一个名为app的可执行文件，期间需要链接名为libmycalc.a的共享库，并且指定了头文件和库文件的搜索路径。

五、动态库的制作和使用

(1)命名规则
动态库的命名方式与静态库类似，前缀相同，为“lib”，后缀变为“.so”。所以为“libmytime.so”
(2)制作步骤

gcc -shared -fpic test.c -o libtest.so
-shared : 指定生成动态库
-fpic 	: 生成位置无关代码

(3)动态库的使用

gcc main.c -ltest -L ./ -o main

动态库优先从当前路径去找，没找到的话再去 /usr/lib/ 下去找通常动态库拷贝到 /usr/lib/ 下即可：

sudo cp libtest.so /usr/lib/

./main
动态库无法加载（引用动态库，怎么指定动态库的位置）：
临时设置：在终端进行：export LD_LIBRARY_PATH=“动态库的路径”
export命令：环境变量设置

利用脚本

//创建一个.sh文件
vi start.sh

export LD_LIBRARY_PATH="/home/pi/test/动态库的路径"
./mianPrody//所要执行的程序名称
//在文件夹中输入以上内容

chmod +x start.sh
//给脚本加可执行的的权限
./start.sh
//执行该脚本

SO-NAME–解决主版本号之间的兼容问题

libname.so.x.y.z <-- libname.so.x
即创建一个只保持主版本号的符号链接到特定的共享库上。这样做的好处是，在编译链接、执行时始终使用符号链接来保持对于当前主版本更新的灵活性。使用gcc -l参数后面跟链接库名字就是链接某个库的意思。其中可以只使用-l name，链接器会自动寻找最新的版本。lc为根据输出文件来决定链接动态版本还是静态版本。

-Bdynamic为链接动态库， -static找静态库。

基于符号的版本机制

SO-NAME只解决主版本号的区分。次版本号可能存在不兼容，此时采用符号版本机制。大体策略就是讲共享库的符号按照版本划分为有依赖关系的集合，比如S1<-S2<-S3…<-SN表达了一个高版本依赖低版本的集合例子。编译时，用到了那些集合，就标记用到的最高版本的符号集合，比如某个可执行用到了S3符号集，那么它可以在包含大于S3的版本的系统中运行，否则链接器会负责报错。

共享库系统路径

大多数开源操作系统包括linux遵循FHS标准(File Hierarchy Standard，文件层级标准)，规定了系统内每个目录该放什么东西。对于共享库相关的定义如下。

  • /lib，放最关键、最基础的共享库。如动态链接器、C语言运行库、数学库等主要被/bin和/sbin下程序用到的库。
  • /usr/lib/ 存放非运行时的关键性共享库，主要是开发时用到。
  • /usr/local/lib 存放和操作系统本身并不相关的库，一般是第三方程序的库。

共享库的查找过程

首先，可执行程序和共享库中在.dynamic段中的DT_NEED类型中的项表明了可执行程序、共享库所依赖的共享库。如果是绝对路径，则去找那个路径。如果是相对路径，则首先在LD_LIBRARY_PATH环境变量中定义的路径下查找，之后在/etc/ld.so.conf定义的目录中查找（但是一般这个步骤只在缓存中查找即使用ldconfig来进行缓存，然后链接器在/etc/ld.so.cacha中查找），最后再/lib和/usr/lib中查找。如果还没有则宣告失败。在编译链接时期LD_LIBRARY_PATH相当于gcc附加的-L选项。

有用的环境变量

  • LD_LIBRARY_PATH，编译时相当于gcc中附件-L选项， 运行时告诉链接器首先在这个变量定义的目录中查找相对路径依赖库。
  • LD_PRELOAD， 指定预先装载的共享库或者目标文件，优先于LD_LIBRARY_PATH。由于全局符号介入，LD_PRELOAD中定义的符号会覆盖以后加载的符号，可以实现更方便的debug（覆盖某些函数，添加打印信息）。
  • LD_DEBUG，可以指定在动态链接库发挥作用时打印的信息，可以设置的值有：
    • "files"显示整个装载过程
    • "bindings"显示动态链接符号绑定过程
    • "libs"显示动态链接库的查找过程
    • "versions"显示符号版本的依赖关系
    • "reloc"显示重定位过程
    • "symbols"显示符号表查找过程
    • "statistics"显示动态链接过程中的各种统计信息
    • "all"显示所有信息
    • "help"显示上面的可选值的帮助信息

gcc 编译器常用选项

下面是关于gcc编译器常用选项的简要说明：

选项含义
-o output_file指定输出文件的名称。
-c生成目标文件（.o），但不进行链接，用于编译源文件。
-I include_path指定头文件搜索路径。
-L library链接时使用指定的库。
-e entry_point指定程序的入口点，用于生成可执行文件。
-Wall启用警告信息。
-g生成调试信息。
-std=standard指定使用的C或C++标准。
-pthread在编译和链接时启用POSIX线程支持。
-Dmacro定义宏。
-Olevel指定优化级别。
-lm链接数学库。
-lrt链接实时库。
-lpthread链接POSIX线程库。
-shared生成共享库。

以上是一些常用的gcc选项，具体用法可以根据编译的需求进行调整。

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