[操作系统] 动静态库制作与原理

什么是库？

库本质上是一组可执行代码的二进制形式，可以被操作系统加载到内存中执行。它的存在意义在于：

• 复用性：库是已经编写好的成熟代码，开发者无需从零开始编写底层功能。
• 依赖性：现实中的每个程序通常依赖多个基础底层库（如C标准库libc、C++标准库libstdc++）。

在Linux（以及Windows）中，库主要分为两种类型：

• 静态库：文件扩展名为.a（Linux）或.lib（Windows）。静态库在程序编译链接时会被直接嵌入到可执行文件中，程序运行时无需依赖外部库文件。
• 动态库：文件扩展名为.so（Linux）或.dll（Windows）。动态库在程序运行时才会被加载，多个程序可以共享同一份动态库代码，从而节省内存和磁盘空间。

举例：常见的库文件

在Linux中，你可以通过ls命令查看系统中的库文件。例如：

• 静态库：<font style="color:black;">/lib/x86_64-linux-gnu/libc.a</font>
• 动态库：<font style="color:black;">/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so</font>

同样，C++的标准库也有静态和动态版本：

• 静态库：<font style="color:black;">/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/libstdc++.a</font>
• 动态库：<font style="color:black;">/usr/lib/gcc/x86_64-linux-gnu/9/libstdc++.so</font>（通常是一个软链接，指向具体的版本如<font style="color:black;">libstdc++.so.6</font>）。

静态库

静态库的定义

静态库（.a文件）在程序编译链接阶段会被完全链接到可执行文件中。生成的可执行文件包含所有需要的库代码，运行时无需再查找或加载外部库文件。这使得静态链接的程序更加独立，但也可能导致可执行文件体积较大。

静态库的生成

生成静态库通常使用ar（GNU归档工具）命令。以下是一个典型的Makefile示例，用于生成静态库libmystdio.a****：

libmystdio.a: my_stdio.o my_string.o
    @ar -rc $@ $^
    @echo "build $^ to $@ ... done"

%.o: %.c
    @gcc -c $<
    @echo "compiling $< to $@ ... done"

.PHONY: clean
clean:
    @rm -rf *.a *.o stdc*
    @echo "clean ... done"

.PHONY: output
output:
    @mkdir -p stdc/include
    @mkdir -p stdc/lib
    @cp -f *.h stdc/include
    @cp -f *.a stdc/lib
    @tar -czf stdc.tgz stdc
    @echo "output stdc ... done"

• ar -rc: r表示替换已有文件，c表示如果库文件不存在则创建新文件。

^是所有依赖文件。

• 查看静态库内容：使用ar -tv libmystdio.a可以列出库中包含的对象文件（如my_stdio.o和my_string.o）。

静态库的使用

使用静态库时，需要通过gcc编译并链接。以下是几种常见场景：

场景1：头文件和库文件安装到系统路径下

假设libmystdio.a和相关头文件（如my_stdio.h）已安装到系统默认路径（如/usr/lib和/usr/include），编译命令如下：

gcc main.c -l mystdio

场景2：头文件和库文件与源文件在同一路径下

如果libmystdio.a和头文件与main.c在同一目录，编译命令为：

gcc main.c -L. -l mystdio

• -L.：指定当前目录作为库搜索路径。
• -l：指定库名，去掉lib前缀和.a后缀（如libmystdio.a对应-lmystdio）。

场景3：头文件和库文件有独立路径

如果头文件和库文件位于自定义路径，编译命令为：

gcc main.c -I头文件路径 -L库文件路径 -lmystdio

• -I：指定头文件搜索路径。
• -L：指定库文件搜索路径。

特点：生成的可执行文件包含静态库的全部代码，即使删除静态库文件，程序仍可正常运行。

使用-static选项：如果希望强制链接静态库，可以使用gcc -static main.c -lmystdio，但这会增加可执行文件的大小。

动态库

动态库的定义

动态库（.so文件）在程序运行时才被加载到内存中。相比静态库，动态库具有以下优点：

• 共享性：多个程序可以共享同一份动态库代码，节省内存和磁盘空间。
• 灵活性：动态库可以在程序运行时动态加载或卸载，便于更新和维护。
• 体积小：可执行文件只包含函数入口地址表，而非完整的机器码。

然而，动态库的缺点是程序运行时需要依赖外部库文件，如果库文件缺失或路径错误，程序可能无法启动。

动态库的生成

生成动态库需要使用gcc的-shared选项，并确保生成位置无关代码（Position Independent Code, PIC）。以下是Makefile示例：

libmystdio.so: my_stdio.o my_string.o
    gcc -o $@ $^ -shared

%.o: %.c
    gcc -fPIC -c $<

.PHONY: clean
clean:
    @rm -rf *.so *.o stdc*
    @echo "clean ... done"

.PHONY: output
output:
    @mkdir -p stdc/include
    @mkdir -p stdc/lib
    @cp -f *.h stdc/include
    @cp -f *.so stdc/lib
    @tar -czf stdc.tgz stdc
    @echo "output stdc ... done"

• -shared：指定生成共享库（动态库）。
• -fPIC：生成位置无关代码，确保代码可以在不同地址加载时正确运行。
• 动态库命名规则：libxxx.so，如libmystdio.so。

动态库的使用

使用动态库的编译方式与静态库类似，但运行时需要确保动态库文件可被找到。以下是几种场景：

场景1：头文件和库文件安装到系统路径下

gcc main.c -lmystdio

场景2：头文件和库文件与源文件在同一路径下

gcc main.c -L. -lmystdio

场景3：头文件和库文件有独立路径

gcc main.c -I头文件路径 -L库文件路径 -lmystdio

查看依赖：使用ldd命令检查可执行文件或动态库的依赖。例如：

ldd a.out

输出可能如下：

linux-vdso.so.1 => (0x00007fff4d396000)
libmystdio.so => not found
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fa2aef30000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fa2af2fe000)

如果libmystdio.so => not found，说明动态库未被找到，需要解决路径问题。

库运行时的搜索路径

问题：动态库找不到

在运行动态链接的可执行文件时，如果动态库（如libmystdio.so）未被找到，程序会报错。例如：

./a.out: error while loading shared libraries: libmystdio.so: cannot open shared object file: No such file or directory

这是因为操作系统默认的库搜索路径中没有包含libmystdio.so。

解决方案

以下是解决动态库找不到问题的几种方法：

1. 将.so文件复制到系统共享库路径 将动态库文件复制到系统默认共享库路径，如/usr/lib、/usr/local/lib或/lib64：bash

cp libmystdio.so /usr/lib

1. 建立软链接 在系统共享库路径下建立指向动态库的软链接：bash

ln -s /path/to/libmystdio.so /usr/lib/libmystdio.so

1. 设置环境变量****LD_LIBRARY_PATH 临时修改LD_LIBRARY_PATH环境变量，使其包含动态库路径：bash

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/path/to/library

然后重新运行程序。

1. 使用ldconfig配置 编辑/etc/ld.so.conf或其子配置文件（如/etc/ld.so.conf.d/bit.conf），添加动态库路径：bash

echo "/path/to/library" >> /etc/ld.so.conf.d/bit.conf
ldconfig

ldconfig会重新加载库搜索路径，使新添加的路径生效。

结论

1. gcc/g++默认使用动态库。
   1. 一定要静态链接的话，使用-static，且必须存在对应的静态库
   2. 如果只存在静态库，对于该库，只能静态链接
2. 在Linux下，默认情况安装的大部分库，默认都是有限安装动态库
3. 一个动态库对应多个应用程序，因为是动态链接，每个exe都可以使用
4. visual studio不仅可以形成可执行程序，也可以形成动静态库

总结

• 静态库适合需要独立运行的程序，但会增加可执行文件体积。生成和使用静态库需要ar工具和gcc的-static选项。
• 动态库更节省资源，适合共享使用的场景，但需要确保运行时库文件可被找到。生成动态库需要-shared和-fPIC选项。
• 库路径管理是动态库使用中的关键，常用LD_LIBRARY_PATH或ldconfig解决库文件找不到的问题。

通过理解静态库和动态库的原理与使用方法，开发者可以更高效地利用Linux下的库资源，提升程序的开发和运行效率。如果你在实践中遇到具体问题，可以进一步探讨或查阅相关文档。