Linux【动静态库】

news2024/12/28 18:54:02

目录

1.软硬链接

1.1软硬链接的语法 

1.2理解软硬链接

1.3目录文件的硬链接

1.4应用场景

1.5ACM时间

2.动静态库 

2.1认识库

3.制作静态库 

3.1静态库打包

3.2静态库的使用

4.制作动态库 

 4.1动态库打包

4.2动态库的链接使用 

 4.3动态库的链接原理

 总结：

前言：

在学习动静态库知识之前，我们先理解一下软硬链接的知识，本章节我们需要使用上一章节的inode知识，配合软硬链接制作动静态库。

1.软硬链接

1.1软硬链接的语法 

 语法：ln 【选项】【源文件】【新建链接】

 对文件进行软硬链接非常简单，只需要通过 ln -s 或 ln 对文件进行链接即可，生成的链接文件类型为 l（普通文件为 -，目录文件为 d）

 对目录下的test2.txt进行软连接

 对目录下的file.txt进行硬链接

解除链接语法

unlink 【链接】

注意：

目录可以进行软连接但是无法进行硬链接，需要结合链接原理配合inode知识进行讲解，会在下面进行介绍。 

1.2理解软硬链接

inode和文件是一一对应的关系，但是从下图我们清晰的看到硬链接之后，两个文件的inode都是1706050 ，软连接之后，产生两个inode ；可以肯定的知道硬链接之后，没有创建新的文件，软连接是创建新的文件了。

软连接之后新的文件就会有新的属性和内容，内容里放的就是指向文件的路径。

硬链接则是在特定目录的数据块中新增，文件名和指向文件的inode的映射关系 。

 所以我们看到硬链接的连接数（引用计数为2）当我们删除硬链接或者文件的的时候，引用计数会减减，当引用计数为零的时候文件才会被删除。

文件系统中我们也知道，文件的部分属性在struct file中，但是大部分属性都在inode结构中包括引用计数

1.3目录文件的硬链接

不是说，文件不允许硬链接吗，为什么打开的目录我们能看到硬链接数为2？

这是因为新建目录之后，该目录下有两个隐藏文件 一个是.一个是..一个指向该目录一个指向上级目录，.这个文件就建立了和目录文件inode的映射关系。所以我们就看到硬链接数为2 

但是明明说好的目录是不可硬链接的，我们也测试了确实无法对目录文件做硬链接，显示not allowed，这个不冲突吗？需要解释一下，这个目录文件硬链接，是系统内部出厂就设置好的，是不允许用户手动建立的，为了避免用户误操作而导致目录环装问题；但是为了方便用户进行路径快速查找，对目标文件进行定位，内置了硬链接。

1.4应用场景

软链接可以当作快捷方式使用，比如快速运行一个藏的很深的可执行程序

而硬链接一是可以用来当作目录移动的工具，二是可以用来给重要的源文件起别名并使用，一旦发生删除等不可逆行为时，可以确保源文件的安全

1.5ACM时间

每一个文件都有三个时间：访问 Access、修改属性 Change、修改内容 Modify，简称为 ACM 时间

可以通过 stat 查看指定文件的 ACM 时间信息

注意：

Access 是高频操作，如果每次查看都更新的花，会导致 IO 效率变低，因此 实际变化取决于刷新策略：查看 N 后次刷新

 修改内容一定会导致属性时间被修改，但不一定会导致访问时间被修改，因为可以不打开文件，对文件进行操作。

2.动静态库 

2.1认识库

 我们在语言层面使用过很多库，常见的库文件：stdio.h、stdlib.h、string.h 等

将链接好的文件进行打包就可以生成动静态库，动静态库在不同的操作系统规范也是不同的，我们常见的windos和linux区别如下：

  • Linux 中，.a 后缀为静态库，.so 后缀为动态库
  • Windows 中，.lib 后缀为静态库，.dll 后缀为动态库
  • 虽然不同环境下的后缀有所不同，但其工作原理是一致的

 我们可以查看一下我们系统上的库文件

find /usr/lib64/libc*

无论是 C语言 还是 C++，在编写程序时，一定离不开库文件，比如之前模拟实现的 FILE 类型，就位于 stdio.h 这个库中，动态库优势比静态库明显，因此在编译代码时，默认采用动态链接的方式，如果想指定为静态链接编译，只需要在 gcc/g++ 语句后面加上 -static 即可（前提是得有静态库）

关于动静态库的优缺点可以看看下面这个表格

 注意： 静态库是将所需要的函数代码拷贝到源文件中直接使用，而动态库是通过动态链接的方式，进行函数链接使用

3.制作静态库 

 通过小demo练习制作库

mymath.h

#pragma once

#include <stdio.h>

extern int myerrno;

int add(int x, int y);
int sub(int x, int y);
int mul(int x, int y);
int div(int x, int y);

mymath.c

#include "mymath.h"

int myerrno = 0;

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}
int sub(int x, int y)
{
    return x - y;
}
int mul(int x, int y)
{
    return x * y;
}
int div(int x, int y)
{
    if(y == 0){
        myerrno = 1;
        return -1;
    }
    return x / y;
}

main.c

#include "mymath.h"

int main()
{
    extern int myerrno;
 //   printf("1+1=%d\n", add(1,1));

    printf("10/0=%d, errno=%d\n", div(10, 0), myerrno);

    return 0;
}

3.1静态库打包

静态库的打包主要分为以下两步：

  1. 将源文件进行 预处理->编译->汇编，生成可链接的二进制 .o 文件
  2. 通过指令将 .o 文件打包为静态库

将文件编译为 .o 二进制文件

gcc -o mymath.c//-o 不带目标名直接生成同名文件.o

 将所有的 .o 文件打包为一个静态库（库名自定义）

其中的 mymath 为库名

ar -rc libmymath.a *.o

ar 是 GNU 提供的归档工具，常用来将目标文件打包为静态库
我们还可以使用 ar 反向查看静态库中的具体文件
ar -tv 静态库文件 

我们将.h头文件放进include目录下，将库文件放入mymathlib目录下，先进性目录创建

 

3.2静态库的使用

方法一：通过指定路径使用静态库

如果直接编译程序，会出现编译失败的情况，因为编译器不认识第三方库（需要提供第三方库的路径及库名）

第一方库：语言提供
第二方库：操作系统提供
第三方库：other 提供的库，比如当前我们直接打包的静态库

对于自己写的的第三库的使用，需要标注三个参数：

  1. -I 所需头文件的路径 需要将所需头文件的路径加上，此处为 .lib/include
  2. -L 所需库文件的路径 这里加的是库文件的路径，也为 ./lib/mymathlib
  3. -l 待链接静态库名 所需要链接的静态库名字，这里为 mymath

gcc -o mymath main.c -I./lib/include -L./lib/mymathlib -lmymath

为什么编译 C/C++ 代码时，不需要指定路径？

  • 因为这些库都是系统级的，gcc/g++ 默认找的就是 stdc/stdc++ 库

方法二：将头文件和静态库文件安装至系统目录中

除了这种比较麻烦的指定路径编译外，我们还可以将头文件与动态库文件直接安装在系统目录中，直接使用，无需指定路径（需要指定静态库名）

所谓的安装软件，就是将自己的文件安装到系统目录下

sudo cp .lib/include/*.h /usr/include/
sudo cp .lib/mymathlib/*.a /lib64/

注意： 将自己写的文件安装到系统目录下是一件危险的事（导致系统环境被污染），用完后记得手动删除

4.制作动态库 

 4.1动态库打包

动态库不同于静态库，动态库中的函数代码不需要加载到源文件中，而是通过 与位置无关码 ，对指定函数进行链接使用

动态库的打包也同样分为两步：

  1. 编译源文件，生成二进制可链接文件，此时需要加上 -fPIC 与位置无关码
  2. 通过 gcc/g++ 直接目标程序（此时不需要使用 ar 归档工具）

将源文件编译为 .o 二进制文件，此时需要带上 fPIC 与位置无关码

小demo

mylog.h 

#pragma once

#include <stdio.h>


void Log(const char*);

mylog.c

#include "mylog.h"

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

myprint.h

#include "myprint.h"


void Print()
{
    printf("hello new world!\n");
    printf("hello new world!\n");
    printf("hello new world!\n");
    printf("hello new world!\n");
}

#pragma once

#include <stdio.h>


void Print();

mylog.c

#include "mylog.h"

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

通过这个小案例，把动静态库都制作了

gcc -c -fPIC *.c

将所有的 .o 文件打包为动态库（借助 gcc/g++）

gcc -o libmycalc.so *.o -shared

 Makefile

dy-lib=libmymethod.so
static-lib=libmymath.a

.PHONY:all
all: $(dy-lib) $(static-lib)

$(static-lib):mymath.o
	ar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.c
	gcc -c $^

$(dy-lib):mylog.o myprint.o
	gcc -shared -o $@ $^
mylog.o:mylog.c
	gcc -fPIC -c $^
myprint.o:myprint.c
	gcc -fPIC -c $^

.PHONY:clean
clean:
	rm -rf *.o *.a *.so mylib

.PHONY:output
output:
	mkdir -p mylib/include
	mkdir -p mylib/lib
	cp *.h mylib/include
	cp *.a mylib/lib
	cp *.so mylib/lib

4.2动态库的链接使用 

 像使用静态库一样使用动态库（指定路径及库名），编译成功，但运行失败！

为什么会出现这种问题？因为当前只告诉了编译器动态库的位置，没有告诉 加载器

通过 ldd 查看程序链接情况

 

运行时，OS 是如何链接动态库？

环境变量 LD_LIBRARY_PATH （默认没有这个环境变量），将第三方动态库路径添加至此环境变量中（临时方案）
sudo 在 /lib64/ 目录下建立动态库的软链接
更改配置文件 /etc/ld.so.conf.d 这个目录中都是各种动态库配置文件，创建文件 xx.conf 至目录中（文件中存储的是第三方动态库的路径）ldconfig 令配置文件生

方法一：通过环境变量解决

添加动态库路径至 LD_LIBRARY_PATH 环境变量中

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/cmx-108/lesson9/mylib/lib

环境变量 LD_LIBRARY_PATH 是程序在进行动态库查找时的默认搜索路径

注意： 更改环境变量只是临时方案，重新登录后会失效

方法二 复制到系统路径下，略

sudo ln -s /home/lesson9/mylib/lib/libmymethod.so /lib64/libmymethod.so

方法三：更改配置文件中的信息

echo /home/cmx-108/lesson9/mylib/lib > cmx.conf
sudo mv cmx.conf /etc/ld.so.conf.d/
sudo ldconfig

 注意： 后两种方法都可以做到永久生效（因为存入了系统目录中），但在使用完后最好删除，避免污染系统环境

 4.3动态库的链接原理

程序在链接动态库函数时，是通过 动态库起始地址 + 所链接函数偏移量 的方式进行链接访问的，而这个偏移量就是 fPIC 与位置无关码

地址其实就两种：绝对地址和相对地址，静态链接时，将可链接的二进制文件加载至程序中，直接通过 绝对地址 进行链接，假设函数被调用了多次，就会导致代码冗余等问题；动态链接采用 相对地址 的方式进行链接，同一个函数的 动态库起始地址 + 所链接函数偏移量 值相同，代码只需要加载一份，并且可以任意位置进行函数调用（与位置无关）

动态库中所有地址都是偏移量，默认从 0 开始

只有当一个库被真正映射进地址空间后，它的起始地址才能真正确定

  • 链接库中的函数时，通过 动态库的起始地址 + 函数偏移量 的方式链接函数
  • 这种方法不论在什么位置，都可以随便链接函数（与位置无关）
  • 与位置无关码：动态库中地址，是偏移量

 总结：

关于系统对物理地址的管理，包括，进程如和找到page页。将页缓冲区到写到对应页框中，这个知识我还需要好好整理。和本章也不搭。动静态库的整理就到这了。

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