静态库和动态库的分析

在Linux操作系统中，普遍使用ELF格式作为可执行程序或者程序生成过程中的中间格式。ELF（Executable and Linking Format，可执行连接格式）。

ELF文件格式包括三种主要的类型：可执行文件、可重定向文件、共享库：

1、可执行文件（应用程序）

可执行文件包含了代码和数据，是可以直接运行的程序。

2、可重定向文件（*.o）

可重定向文件又称为目标文件，它包含了代码和数据（这些数据是和其他重定位文件和共享的object文件一起连接时使用的）。

*.o文件参与程序的连接（创建一个程序）和程序的执行（运行一个程序），它提供了一个方便有效的方法来用并行的视角看待文件的内容，这些*.o文件的活动可以反映出不同的需要。

Linux下，我们可以用gcc -c编译源文件时可将其编译成*.o格式。

3、共享文件（*.so）

也称为动态库文件，它包含了代码和数据（这些数据是在连接时候被连接器ld和运行时动态连接器使用的）。动态连接器可能称为ld.so.1，libc.so.1或者 ld-linux.so.1。

那么到底什么是库呢？

库从本质上来说是一种可执行代码的二进制格式，可以被载入内存中执行。库分静态库和动态库两种。二者的不同点在于代码被载入的时刻不同。

静态库：这类库的名字一般是libxxx.a，xxx为库的名字。静态库在程序编译时会被连接到目标代码中，利用静态函数库编译成的文件比较大，因为整个函数库的所有数据都会被整合进目标代码中，他的优点就显而易见了，即编译后的执行程序不需要外部的函数库支持，因为所有使用的函数都已经被编译进去了。当然这也会成为他的缺点，因为如果静态函数库改变了，那么你的程序必须重新编译。

动态库：这类库的名字一般是libxxx.M.N.so，同样的xxx为库的名字，M是库的主版本号，N是库的副版本号。当然也可以不要版本号，但名字必须有。相对于静态函数库，动态函数库在编译的时候并没有被编译进目标代码中，你的程序执行到相关函数时才调用该函数库里的相应函数，因此动态函数库所产生的可执行文件比较小。由于函数库没有被整合进你的程序，而是程序运行时动态的申请并调用，所以程序的运行环境中必须提供相应的库。动态函数库的改变并不影响你的程序，所以动态函数库的升级比较方便。linux系统有几个重要的目录存放相应的函数库，如/lib
/usr/lib。

当要使用静态的程序库时，连接器会找出程序所需的函数，然后将它们拷贝到执行文件，由于这种拷贝是完整的，所以一旦连接成功，静态程序库也就不再需要了。然而，对动态库而言，就不是这样。动态库会在执行程序内留下一个标记指明当程序执行时，首先必须载入这个库。由于动态库节省空间，linux下进行连接的缺省操作是首先连接动态库，也就是说，如果同时存在静态和动态库，不特别指定的话，将与动态库相连接。

一、静态库

前面已经介绍了静态库的概念，下面我们通过一个实例来看静态库的使用

1、生成静态库

1）这里准备了两个库的源码st1 、st2用它们来制作库libmytest.a，如下

fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ls -l
total 12
-rw-rw-r-- 1 fs fs 98 Jan  5 19:56 main.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 69 Jan  5 19:55 st1.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 68 Jan  5 19:55 st2.c
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ cat st1.c
#include <stdio.h>

void print1()
{
printf("Hello!I am st1!\n ");
}
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ cat st2.c
#include <stdio.h>

void print2()
{
printf("Hello!I am st2!\n");
}
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ cat main.c
#include <stdio.h>

int main(int argc, const char *argv[])
{
print1();
print2();

return 0;
}
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$

2) 生成libmytest.a文件

创建静态库用ar命令，它将很多.o转换成.a

fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ gcc -c st1.c st2.c
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ar crs libmytest.a st1.o st2.o
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ls -l
total 24
-rw-rw-r-- 1 fs fs 2262 Jan  5 20:04 libmytest.a
-rw-rw-r-- 1 fs fs   98 Jan  5 19:56 main.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs   69 Jan  5 20:03 st1.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1024 Jan  5 20:04 st1.o
-rw-rw-r-- 1 fs fs   69 Jan  5 20:03 st2.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1024 Jan  5 20:04 st2.o
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ file libmytest.a
libmytest.a: current ar archive
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$

静态库文件libmytest.a已经生成，用file命令查看其属性，发现它确实是归档压缩文件。用ar -t libmytest.a可以查看一个静态库包含了那些obj文件：

fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ar -t libmytest.a
st1.o
st2.o
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$

2、使用静态库

前面我们已经写好了main.c，现在测试一下

fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ gcc -o test main.c -L. -lmytest
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ls -l
total 32
-rw-rw-r-- 1 fs fs 2262 Jan  5 20:04 libmytest.a
-rw-rw-r-- 1 fs fs   98 Jan  5 19:56 main.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs   69 Jan  5 20:03 st1.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1024 Jan  5 20:04 st1.o
-rw-rw-r-- 1 fs fs   69 Jan  5 20:03 st2.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1024 Jan  5 20:04 st2.o
-rwxrwxr-x 1 fs fs 7248 Jan  5 20:07 test
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$ ./test
Hello! I am st1!
Hello! I am st2!
fs@ubuntu:~/qiang/stalib$

这里gcc的参数-L是告诉编译器库文件的路径是当前目录，-l是告诉编译器要使用的库的名字叫mytest。



二、动态库

动态库的基本概念

1、动态链接库是程序运行时加载的库，当动态链接库正确安装后，所有的程序都可以使用动态库来运行程序。动态链接库是目标文件的集合，目标文件在动态链接库中的组织方式是按照特殊方式形成的。库中函数和变量的地址是相对地址，不是绝对地址，其真实地址在调用动态库的程序加载时形成。

2、动态链接库的名称有别名（soname）, 真名(realname)和链接名（linker name）。别名由一个前缀lib,然后是库的名字，再加上一个后缀“.so”构成("libxxx.so")。真名是动态链接库真实名称，一般总是在别名的基础加上一个小版本号，发布版本等构成。除此之外，还有一个链接名，即程序链接时使用的库的名字。

3、在动态链接库安装的时候，总是复制文件到某个目录下，然后用一个软连接生成别名，在库文件进行更新的时候，仅仅更新软链接即可。

下面我们通过一个实例来学习如何生成动态库和使用动态库

1、生成动态库

1）当前文件夹下有下面四个文件

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ls -l
total 16
-rw-rw-r-- 1 fs fs 73 Jan  5 18:11 dy1.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 74 Jan  5 18:11 dy2.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 90 Jan  5 18:11 main.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 95 Jan  5 18:10 mylib.h
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

文件内容分别为：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ cat mylib.h
#ifndef _MYLIB_H_
#define _MYLIB_H_

#include <stdio.h>

void print1();
void print2();

#endif
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ cat dy1.c
#include "mylib.h"

void print1()
{
printf("My first shared lib!\n");
}
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ cat dy2.c
#include "mylib.h"

void print2()
{
printf("My second shared lib!\n");
}
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ cat main.c
#include "mylib.h"

int main(int argc, char *argv[])
{
print1();
print2();
return 0;
}
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

2）这里我们将dy1.c与dy2.c用来创建动态库

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ gcc -fPIC -Wall -c dy1.c dy2.c
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ gcc -shared -o libtest.so dy1.o dy2.o
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

这里 -fPIC 创建与地址无关的编译程序，-shared指定生成动态链接库。

我们也可以一步到位

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ gcc -o libtest.so -fPIC -shared dy1.c dy2.c
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

我们可以看到下面已经生成了一个libtest.so

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ls -l
total 32
-rw-rw-r-- 1 fs fs   73 Jan  5 18:11 dy1.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1332 Jan  5 18:29 dy1.o
-rw-rw-r-- 1 fs fs   74 Jan  5 18:11 dy2.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs 1336 Jan  5 18:29 dy2.o
-rwxrwxr-x 1 fs fs 6798 Jan  5 18:29 libtest.so
-rw-rw-r-- 1 fs fs   90 Jan  5 18:11 main.c
-rw-rw-r-- 1 fs fs   95 Jan  5 18:10 mylib.h
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

2、使用动态链接库

在编译程序时，使用动态链接库和静态库是一致的，使用”-l库名”的方式，在生成可执行文件的时候会链接库文件。使用如下命令：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ gcc -o test main.c -L. -ltest
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ls
dy1.c  dy2.c  libtest.so  main.c  mylib.h  test

这里 -L 指定动态链接库的路劲，-ldtest链接库函数test 。-ltest是动态库的调用规则。Linux系统下的动态库命名方式是lib*.so,而在链接时表示位-l*,*是自己命名的库名。

我们可以看到这里已经生成了test可执行文件，我们可以执行一下：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ./test
./test: error while loading shared libraries: libtest.so: cannot open
shared object file: No such file or directory
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

可以发现发生了错误，这是因为程序运行时没有找到动态链接库造成的。程序编译时链接动态库和运行时使用动态链接库的概念是不同的，在运行时，程序链接的动态链接库需要在系统目录下才行。

这就到了动态库的路径问题，有三种方法：

1）把库拷贝到/usr/lib和/lib目录下：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ sudo cp libtest.so /lib
[sudo] password for fs:

这里要超级用户权限sudo,我们看一下执行结果：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ./test
My first shared lib!
My second shared lib!
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

这里执行结果正确。

2）在 LD_LIBRARY_PATH 环境变量中加上库所在路径

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ export LD_LIBRARY_PATH=`pwd`:$LD_LIBRARY_PATH
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

我们可以看到：libtest.so 的路径已经存在

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ldd test
linux-gate.so.1 =>  (0xb774b000)
libtest.so => /home/fs/qiang/lib/dylib/libtest.so (0xb7746000)
libc.so.6 => /lib/i386-linux-gnu/libc.so.6 (0xb758d000)
/lib/ld-linux.so.2 (0xb774c000)
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

我们可以看一下结果：

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ ./test
My first shared lib!
My second shared lib!
fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$

也能得到正确结果。

3）添加/etc/ld.so.conf.d/*.conf文件。把库所在的路径加到文件末尾，并执行ldconfig刷新。

fs@ubuntu:~/qiang/lib/dylib$ cd /etc/ld.so.conf.d/
fs@ubuntu:/etc/ld.so.conf.d$ ls
i386-linux-gnu_GL.conf  libc.conf
i686-linux-gnu.conf     vmware-tools-libraries.conf
fs@ubuntu:/etc/ld.so.conf.d$ sudo vi my.conf
[sudo] password for fs:
fs@ubuntu:/etc/ld.so.conf.d$ cat my.conf
/home/fs/qiang/lib/dylib/libtest.so
fs@ubuntu:/etc/ld.so.conf.d$

在/etc/ld.so.conf.d/下建立 my.conf 里面只有一句/home/fs/qiang/lib/dylib/libtest.so 即libtest.so的路径，然后执行ldconfig刷新即可。