一、靜態(tài)庫

對于我們自己寫的一份源代碼，別人如果想使用，可以有以下兩種做法：第一種就是將我們的源代碼直接給別人拷貝一份，但是如果你覺得自己的代碼寫的非常厲害，不想讓別人知道，或者別人嫌拷貝太麻煩了，那么就需要采用第二種做法；第二種做法就是，將我們自己寫的源代嘛想辦法打包成庫，然后將這個庫和對應(yīng)的頭文件提供給使用者。注意，頭文件是必不可少的，頭文件就相當(dāng)于該庫中方法的使用說明書，如果不提供頭文件，別人大概率是不知道該庫是如何使用的。

1.1 靜態(tài)庫的制作

// add.h
#pragma once

int add(int x, int y);

// add.c
#include "add.h"

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

// sub.h
#pragma once

int sub(int x, int y);

// sub.c
#include "sub.h"

int sub(int x, int y)
{
    return x - y;
}

// mul.h
#pragma once

int mul(int x, int y);

// mul.c
#include "mul.h"

int mul(int x, int y)
{
    return x * y;
}

// div.h
#pragma once

extern int myerrno; // 聲明一個可以被其它源文件使用的變量

int div(int x, int y);

// div.c
#include "div.h"

int myerrno = 0; // 定義

int div(int x, int y)
{
    if(y == 0) 
    {
        myerrno = -1;
        return myerrno;
    }
    return x / y;
}

1.2 靜態(tài)庫的生成

靜態(tài)庫的生成指令：

靜態(tài)庫本質(zhì)上就是對 .o 文件進(jìn)行打包，所以首先要將 .c 文件編譯成 .o 文件，然后進(jìn)行打包。ar 是 gnu 歸檔工具，可以使用它來生成一個靜態(tài)庫，它執(zhí)行的工作就是把一個或者多個 .o 文件打包，生成一個 .a 庫文件。-rc 表示 replace and creat，.a 庫文件中如果有待打包的 .o 文件就替換，沒有就創(chuàng)建。

靜態(tài)庫生成示意圖：

1.3 靜態(tài)庫的發(fā)布

發(fā)布庫：

發(fā)布庫就是把 lib 目錄拷貝給別人。

1.4 靜態(tài)庫的使用

首先創(chuàng)建一個 test 目錄，先講上面發(fā)布的 lib 目錄拷貝到 test 目錄中，然后在 test 目錄中創(chuàng)建一個 main.c 進(jìn)行測試。目錄結(jié)構(gòu)如下圖所示：

// main.c
#include "add.h"
#include "sub.h"
#include "mul.h"
#include "div.h"
#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("1 + 2 = %d\n", add(1, 2));
    printf("1 - 2 = %d\n", sub(1, 2));
    printf("1 * 2 = %d\n", mul(1, 2));
    printf("1 / 2 = %d\n", div(1, 2));
    return 0;
}

編譯 main.c 時報錯，說找不到對應(yīng)的頭文件。此時就需要再來認(rèn)識一下包含頭文件的兩種方式了。在使用庫中的頭時，一般用 <> 來包含頭文件，<> 表示到系統(tǒng)指定目錄下去查找頭文件。在使用自己寫的頭文件時，一般使用 ""，表示在當(dāng)前源文件的統(tǒng)計目錄下查找頭文件，找打了就用，沒找到再去系統(tǒng)指定目錄下進(jìn)行查找，所以對于庫提供的頭文件我們也可以使用 "" 進(jìn)行包含。但是上面代碼中我們使用的就是 ""，并且 add.h 就在 lib/include 目錄下，lib 目錄和 main.c 同處 test 目錄下，為什么會報錯呢？因為用 "" 包含的頭文件，會告訴編譯器在 main.c 的同級目錄下進(jìn)行查找，也就是在 test 目錄下進(jìn)行查找，并不會深入到 test 中的 lib 目錄去查找。

解決上面報錯的方法有三種。第一種，將我們發(fā)布的 lib 庫中的頭文件拷貝到系統(tǒng)的指定路徑下；第二種，在代碼中補全路徑，如 #include "/lib/include/add.h"；第三種，在執(zhí)行 gcc 指令編譯的時候加上 -I 選項，指定編譯器搜索頭文件的路徑。

第三種解決方案示意圖：

此時編譯仍然沒有成功，但是沒有報頭文件找不到的錯誤了?，F(xiàn)在是鏈接出錯，可以編譯形成 .o 文件，如下圖所示：

鏈接報錯還是因為 gcc 在進(jìn)行編譯鏈接的時候，只會去默認(rèn)路徑下查找打包形成的庫文件，不會去我們的 lib/mymathlib 目錄下查找，這樣就導(dǎo)致 gcc 編譯器找不到我們打包的庫 libmymath.a ，最終鏈接時就會報錯。

解決鏈接有兩種方法。方法一：將我們的庫拷貝到系統(tǒng)的指定路徑下，并不能完全解決，還需要指定庫的名稱，下面會講；方法二：在使用 gcc 的時候添加對應(yīng)的選項。方法二示意圖，如下所示：

其中 -L 選項指定了庫的搜索路徑，-l 選項指定了待搜索的庫的名稱。 為什么在搜索頭文件的時候僅需指定路徑呢？因為在代碼中已經(jīng)寫了頭文件的具體名稱，所以僅需指定頭文件的路徑即可。而一個路徑下可以有多個庫，如果只指定路勁，編譯器還是不知道該去鏈接哪個庫，因此還要在后面使用 -l 選項指定待鏈接的庫的具體名稱，注意：去掉前綴 lib 和 后綴 .a 才是一個庫的名稱，建議 -l 后面緊跟庫的名稱。一般在使用第三方庫的時候，可能不需要帶 -I 或者 -L，但是 -l 指定庫的名稱是一定需要到，因為 gcc 默認(rèn)只能找到系統(tǒng)調(diào)用和語言層面的庫。

小Tips：在動態(tài)庫和靜態(tài)庫都有的情況下，gcc 默認(rèn)鏈接動態(tài)庫，如果系統(tǒng)中只提供靜態(tài)庫，gcc 則只能對該庫進(jìn)行靜態(tài)鏈接。如果有需要，gcc 可以鏈接多個庫。

1.5 靜態(tài)庫的安裝

庫的安裝本質(zhì)上就是把頭文件和庫文件拷貝到系統(tǒng)的特定目錄下。還可以通過在指定目錄下創(chuàng)建軟鏈接的方式，如下圖所示：

小Tips：此時包含頭文件前面應(yīng)該加上軟鏈接的名字，如：#include <myinc/add.h> 這種形式。

二、動態(tài)庫

2.1 動態(tài)庫的制作

// myprintf.h
#pragma once

#include <stdio.h>

void Print();

// myprintf.c
#include "myprintf.h"

void Print()
{
    printf("Hello Linux\n");
}

// mylog.h
#pragma once

#include <stdio.h>

void Log(const char* info);

// mylog.c
#include "mylog.h"

void Log(const char* info)
{
    printf("log: %s\n", info);
}

2.2 動態(tài)庫的生成

小Tips：在編譯生成 .o 文件的時候，要加上 -fPIC 選項，該選項表示產(chǎn)生位置無關(guān)碼（position independent code）。將 .o 文件打包生成動態(tài)庫，繼續(xù)使用 gcc，需要帶 -shared 選項，表示生成共享庫格式。其次需要注意動態(tài)庫的命名規(guī)則是 libxxx.so。動態(tài)庫是可執(zhí)行程序的一種，將來是需要被加載到內(nèi)存的，因此它帶了 x 選項，而靜態(tài)庫的使用本質(zhì)是把靜態(tài)庫中的二進(jìn)制代碼拷貝一份去使用，靜態(tài)庫是不需要被加載到內(nèi)存的，因此靜態(tài)庫沒有可執(zhí)行權(quán)限。

2.3 動態(tài)庫的發(fā)布

dy-lib=libmymethod.so
static-lib=libmymath.a
.PHONY:all
all:$(dy-lib) $(static-lib)

$(static-lib):add.o sub.o mul.o div.o
		ar -rc $@ add.o sub.o mul.o div.o

$(dy-lib):myprintf.o mylog.o
		gcc -shared -o $@ $^

myprintf.o:myprintf.c
		gcc -fPIC -c $^
mylog.o:mylog.c
		gcc -fPIC -c $^
add.o:add.c
		gcc -c $^
sub.0:sub.c
		gcc -c $^
mul.o:mul.c
		gcc -c $^
div.o:div.c
		gcc -c $^
.PHONY:clean
clean:
		rm -rf *.o *.a mylib *.so
.PHONY:output
output:
		mkdir -p mylib/include
		mkdir -p mylib/lib
		cp *.h mylib/include
		cp *.a mylib/lib
		cp *.so mylib/lib

小Tips：上面不是單純的發(fā)布動態(tài)庫，而是將動靜態(tài)庫同時發(fā)布。

2.4 動態(tài)庫的使用

#include "myprintf.h"
#include "mylog.h"
#include <stdio.h>

int main()
{
    Print();
    Log("Hello log function!");
    return 0;
}

上圖中按照靜態(tài)庫的使用方法去使用動態(tài)庫，可以成功生成可執(zhí)行文件，但是可執(zhí)行文件在運行的時候出錯了。

在使用 ldd 查看可執(zhí)行程序運行所需的共享庫時發(fā)現(xiàn)，libmymethod.so 后面指向 not found。為什么會這樣呢？我們在使用 gcc 進(jìn)行編譯的時候，不是已經(jīng)通過 -L 和 -l 選項告訴編譯器動態(tài)庫所在的路徑和名字，為什么還是找不到呢？原因正如前面所述，我們僅僅是告訴了編譯器所需的動態(tài)庫在哪里，而可執(zhí)行程序運行靠的是加載器，上面的 not found 表示加載器不知道動態(tài)庫在哪里。這也從側(cè)面印證了靜態(tài)庫是不會加載到內(nèi)存中的，所以使用靜態(tài)庫只需要告訴編譯器靜態(tài)庫在哪里即可。

解決該問題的方法有四種。第一種，將庫文件拷貝到系統(tǒng)默認(rèn)的庫路徑（/lib64、/usr/lib64）；第二種，在系統(tǒng)默認(rèn)的庫路徑（/lib64、/usr/lib64）下建立軟鏈接；第三種，將自己庫所在的路徑，添加到系統(tǒng)的環(huán)境變量 LD_LIBRARY_PATH 中，該環(huán)境變量就是專門用來搜索動態(tài)庫的；第四種，如果想讓我們的庫和系統(tǒng)、語言自帶的庫一樣，在程序運行的時候可以自動被找到，那我們可以在 /etc/ld.so.conf.d 路徑下添加一個 .conf 結(jié)尾的配置文件，該配置文件里面的內(nèi)容就是我們自己動態(tài)庫所在的路徑。添加完后執(zhí)行 ldconfig 指令，將所有的配置文件重現(xiàn)加載一下，然后程序就能夠正常運行啦。

小Tips：這樣添加，當(dāng)系統(tǒng)重啟后新添加的境變量就沒有了，如果想讓系統(tǒng)啟動時自動添加該路徑到 LD_LIBRARY_PATH 環(huán)境變量中，可以通過修改 ~/.bash_profile 中的配置去實現(xiàn)，具體如下圖所示：

小Tips：加載器是不需要知道庫的名字的，只需要知道庫的路徑即可。

2.5 動態(tài)庫是如何被加載和共享的？

動態(tài)庫在進(jìn)程運行的時候是需要被加載到內(nèi)存的，常見的動態(tài)庫被所有的可執(zhí)行程序（動態(tài)鏈接的），都要使用，因此，動態(tài)庫在系統(tǒng)中加載之后，會被所有進(jìn)程共享。

首先我們需要知道，一個進(jìn)程可以鏈接多個動態(tài)庫，同理，當(dāng)系統(tǒng)中存在多個進(jìn)程的時候，那么此時系統(tǒng)中一定是存在多個動態(tài)庫的。操作系統(tǒng)一定會通過“先描述，再組織”的方式將系統(tǒng)中所有的動態(tài)庫管理起來。所以對操作系統(tǒng)而言，所有庫的加載情況，它非常清楚。A.exe 在編譯鏈接的時候采用的是動態(tài)庫，A 進(jìn)程在運行的時候，CPU 按照從上往下的順序執(zhí)行代碼，遇到了一個庫函數(shù)，假設(shè)就為 printf，此時操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn) printf 所在的動態(tài)庫并沒有被加載到內(nèi)存中，因此就會將這個動態(tài)庫加載到內(nèi)存，因為動態(tài)庫也是文件，也有 inode，所以這本質(zhì)上就是文件的加載，將動態(tài)庫加載到內(nèi)存之后，操作系統(tǒng)會在 A 進(jìn)程的頁表上建立該動態(tài)庫與 A 進(jìn)程地址空間中共享區(qū)的映射關(guān)系，然后 CPU 就又代碼段跳轉(zhuǎn)到共享區(qū)去執(zhí)行動態(tài)庫中關(guān)于 printf 的代碼，執(zhí)行完后跳轉(zhuǎn)會代碼段繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)代碼。與此同時，B.exe 經(jīng)過編譯鏈接（用動態(tài)庫），然后被加載到內(nèi)存，成為 B 進(jìn)程，CPU 在執(zhí)行 B 進(jìn)程代碼的時候，也遇到了 printf 函數(shù)，此時因為在 A 進(jìn)程執(zhí)行的時候，就把 printf 所在的動態(tài)庫加載到了內(nèi)存，所以此時操作系統(tǒng)并不會再去把這個動態(tài)庫加載一遍，而是直接在 B 進(jìn)程的頁表中建立映射關(guān)系。此時一個動態(tài)庫被加載到內(nèi)存中，就同時被兩個進(jìn)程所使用，因此動態(tài)庫也被叫做共享庫。

一個問題：現(xiàn)在我們知道了動態(tài)庫是可以被多個進(jìn)程共享的。那動態(tài)庫中的全局變量例如 errno 該怎么辦？我們知道，errno 是 C 語言為我們提供的一個錯誤碼，一般在調(diào)用庫函數(shù)失敗的時候，該錯誤碼會被設(shè)置，那動態(tài)庫是被共享的，豈不意味著 errno 也可能是被多個進(jìn)程共享的，那在 A 進(jìn)程中執(zhí)行庫函數(shù)失敗，假設(shè) errno 被設(shè)置成 1，在 B 進(jìn)程中 errno 也是 1 嘛？這顯然是不合理的。實際上，當(dāng)要修改 errno 的時候，操作系統(tǒng)會通過引用計數(shù)去判斷該動態(tài)庫是否被多個進(jìn)程共享，如果該庫被多個進(jìn)程共享，操作系統(tǒng)會發(fā)生寫時拷貝。

三、再來認(rèn)識地址

3.1 邏輯地址的引入

一個 .c 源文件在被編譯成為 .exe 可執(zhí)行程序的時候，會加上地址?？梢赃@樣來理解，一個 .c 源文件首先會編譯成為匯編文件，將我們的 C 語言轉(zhuǎn)化成一條條匯編指令，接著會把匯編指令轉(zhuǎn)化成機(jī)器碼，對應(yīng)的匯編文件和機(jī)器碼文件其實都已經(jīng)加上了地址，最終 .exe 中也是包含地址的。.exe 文件本質(zhì)上就是由各種段構(gòu)成的，現(xiàn)如今的 .exe 文件中的編址都采用平坦模式，即 .exe 文件已經(jīng)按照程序地址空間的格式進(jìn)行分段編址。

3.2 CPU 是如何知道指令位置的

上面說過，可執(zhí)行程序內(nèi)部是有邏輯地址的，在可執(zhí)行程序加載到內(nèi)存之后，每一條指令還會有自己對應(yīng)的物理地址，因為物理內(nèi)存它本身就是有地址的，無論可執(zhí)行程序是否加載到內(nèi)存中。此時可執(zhí)行程序已經(jīng)被加載到了內(nèi)存，CPU 是如何知道該可執(zhí)行程序的第一條指令在哪兒的呢？在編譯形成可執(zhí)行程序的時候，除了形成代碼段、數(shù)據(jù)段、.bss 段外，還會形成一個文件頭，這里面就存儲了可執(zhí)行程序的入口地址，這個地址是邏輯地址（虛擬地址）。在 CPU 中有一個寄存器，一般管它叫做 PC 指針，它里面存儲的就是接下來要執(zhí)行指令的地址。實際上，最初并不急著把可執(zhí)行程序全部加載到內(nèi)存，只需要將可執(zhí)行文件的頭部加載到內(nèi)存即可，CPU 通過頭部獲取到可執(zhí)行程序的入口地址，然后拿著該地址去查頁表，發(fā)現(xiàn)并沒有建立內(nèi)存映射，此時操作系統(tǒng)會發(fā)生缺頁中斷，將對應(yīng)的程序加載到內(nèi)存，接下來就好辦了，CPU 通過內(nèi)置的指令集，先天就知道每條指令的長度，然后他會按順序往后執(zhí)行，遇到函數(shù)調(diào)用指令，或者一些跳轉(zhuǎn)指令，也是根據(jù)虛擬地址去頁表中查找映射關(guān)系，發(fā)生缺頁中斷。因此可以得出一結(jié)論，CPU 是通過虛擬地址轉(zhuǎn)物理地址去執(zhí)行可執(zhí)行程序中的指令，訪問可執(zhí)行程序中的變量。

3.3 一個庫函數(shù)是如何被找到并且執(zhí)行的

結(jié)合上面兩點，可以得出，可執(zhí)行程序內(nèi)部有邏輯地址，CPU 是通過虛擬地址轉(zhuǎn)物理地址去執(zhí)行指令的。那一個可執(zhí)行程序是如何加載并使用動態(tài)庫的呢？以程序中調(diào)用 printf 函數(shù)為例，按照上面兩小節(jié)的說法，在可執(zhí)行程序中，printf 函數(shù)有一個固定的邏輯地址，假設(shè)為 0x11223344，而 CPU 是通過虛擬地址查找物理地址去執(zhí)行指令，即通過 0x11223344 這個虛擬地址去映射找到物理地址，然后執(zhí)行 printf 函數(shù)，那是否意味著，在程序地址空間角度，動態(tài)庫需要被加載到動態(tài)區(qū)的固定位置，這樣才能保證 printf 函數(shù)的地址是 0x11223344。如果按照上面兩小節(jié)說的，對于一個進(jìn)程來說，動態(tài)庫是必須加載到固定的位置，但是這幾乎是不可能的，因為一個可執(zhí)行程序可能同時使用多個庫，每個庫的大小不一，并且每個庫中都獨立編址，可能該進(jìn)程還使用了 B 庫中的某個函數(shù)，該函數(shù)在 B 庫中為編址也是 0x11223344。所以很難做到將一個動態(tài)庫加載到固定位置。因此我們需要想辦法讓庫可以在虛擬內(nèi)存中共享區(qū)的任意位置進(jìn)行加載，實現(xiàn)方法是，在動態(tài)庫內(nèi)部，不采用絕對編址，而是采用相對編址，對于動態(tài)庫中的函數(shù)只需要知道其在庫中的偏移量即可。0x11223344 就不再表示 printf 的絕對地址，而是它相對于這個庫起始位置的偏移量，此時就可以實現(xiàn)把庫加載到虛擬內(nèi)存共享區(qū)的任意位置。之后，操作系統(tǒng)只需要記住每一個庫在虛擬內(nèi)存中的起始地址即可，當(dāng)要執(zhí)行某個庫函數(shù)的時候，只需要用該函數(shù)所在庫的起始地址加上該函數(shù)的相對地址（也就是偏移量），就可以知道該函數(shù)在程序地址空間中的虛擬地址，然后再拿著這個虛擬地址去查頁表，找到該函數(shù)在物理內(nèi)存中的地址，然后執(zhí)行庫函數(shù)。-fPIC 選項，就是讓編譯器在形成動態(tài)庫文件的時候，直接用偏移量對庫中的函數(shù)進(jìn)行編址。靜態(tài)庫是直接拷貝到可執(zhí)行程序中的，無需加載到物理內(nèi)存中，因此靜態(tài)庫中的函數(shù)就被當(dāng)做了我們自己寫的函數(shù)一樣，直接采用絕對編址。

四、結(jié)語

以上就是Linux動靜態(tài)庫的制作與使用的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Linux動靜態(tài)庫的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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