【Linux系统编程】第三十一弹---深入理解静态库：从零开始制作与高效使用的完全指南

news2024/10/25 5:26:00

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目录

1、静态库

1.1、怎么做静态库

1.2、怎么使用静态库

1、静态库

1.1、怎么做静态库

在Linux环境下，通常使用GCC（GNU Compiler Collection）编译器来编译源代码，并使用ar（archiver）工具来创建静态库。

  1. 编写源代码：首先，你需要有一些源代码文件，比如 x.c ，y.c ，z.c

  2. 编译源代码为对象文件：使用GCC编译器将源代码编译为目标文件（.o文件）。

  3. 创建静态库：使用 ar工具将对象文件打包成静态库。

头文件是一个手册，提供函数的声明，告诉用户怎么用；.o提供实现，我们只需要补上一个main函数，调用头文件提供的方法，然后和.o进行链接，就能形成可执行。

mymath.h

#pragma once // 防止头文件重复包含

#include <stdio.h>

int Add(int x,int y);

mymath.c

#include "mymath.h"

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

mystdio.h

#pragma once 

#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

#define LINE_SIZE 1024
#define FLUSH_NOW  1
#define FLUSH_LINE 2
#define FLUSH_FULL 4

typedef struct _myFILE  
{
  unsigned int flags;
  int fileno;
  // 缓冲区
  char cache[LINE_SIZE];
  int cap;// 容量
  int pos;// 下次写入的位置
}myFILE;

myFILE* my_fopen(const char* path,const char* flag);
void my_fflush(myFILE* fp);
ssize_t my_fwrite(myFILE* fp,const char* data,int len);
void my_fclose(myFILE* fp);

mystdio.c

#include "mystdio.h"

myFILE* my_fopen(const char* path,const char* flag)
{
  int flag1 = 0;
  int iscreate = 0;
  mode_t mode = 0666;
  if(strcmp(flag,"r") == 0)
  {
    flag1 = O_RDONLY;
  }
  else if(strcmp(flag,"w") == 0)
  {
    flag1 = (O_WRONLY | O_CREAT | O_TRUNC);
    iscreate = 1;
  }
  else if(strcmp(flag,"a") == 0)
  {
    flag1 = (O_WRONLY | O_CREAT | O_APPEND);
    iscreate = 1;
  }
  else 
  {}

  int fd = 0;
  if(iscreate)
    fd = open(path,flag1,mode);
  else 
    fd = open(path,flag1);
  
  if(fd < 0) return NULL;
  
  myFILE* fp = (myFILE*)malloc(sizeof(myFILE));
  if(fp == NULL) return NULL;

  fp->fileno = fd;
  fp->flags = FLUSH_LINE;

  fp->cap = LINE_SIZE;
  fp->pos = 0;

  return fp;
}
void my_fflush(myFILE* fp)
{
  write(fp->fileno,fp->cache,fp->pos);
  fp->pos = 0;
}
ssize_t my_fwrite(myFILE* fp,const char* data,int len)
{
  // 写入的本质是拷贝，条件允许就刷新
  memcpy(fp->cache + fp->pos ,data,len);// 考虑扩容与越界问题
  fp->pos += len;
  
  if((fp->flags&FLUSH_LINE) && fp->cache[fp->pos-1] == '\n')
  {
      my_fflush(fp);
  }
  return len; 
}
void my_fclose(myFILE* fp)
{
  my_fflush(fp);
  close(fp->fileno);
  free(fp);
}

main.c

#include "mymath.h"
#include "mystdio.h"
#include <string.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
  int a = 10;
  int b = 20;
  
  printf("%d + %d  = %d\n",a,b,myAdd(a,b));

  myFILE* fp = my_fopen("log.txt","w");
  if(fp == NULL) return 1;

  const char* message = "这是我写的...\n";

  my_fwrite(fp,message,strlen(message));
  my_fclose(fp);
  return 0;
}

编译并执行程序

[jkl@host lib]$ gcc main.c mymath.c mystdio.c
[jkl@host lib]$ ls
a.out  log.txt  main.c  mymath.c  mymath.h  mystdio.c  mystdio.h  
[jkl@host lib]$ ./a.out
10 + 20  = 30
[jkl@host lib]$ cat log.txt
这是我写的...

将.c文件(源文件)编译成.o文件(目标文件) [ -c选项告诉GCC只编译和汇编，但不链接]

gcc -c mymath.c  # 将mymath.c文件编译成.o文件，默认编译成mymath.o
gcc -c mystdio.c # 将mystdio.c文件编译成.o文件，默认编译成mystdio.o

 ​​​​​​

使用.h 文件和.o 文件编译main.c程序

[jkl@host roommate]$ ls
main.c  mymath.h  mymath.o  mystdio.h  mystdio.o
[jkl@host roommate]$ gcc main.c
/tmp/ccFk2rMI.o: In function `main':
main.c:(.text+0x21): undefined reference to `myAdd'
main.c:(.text+0x49): undefined reference to `my_fopen'
main.c:(.text+0x84): undefined reference to `my_fwrite'
main.c:(.text+0x90): undefined reference to `my_fclose'
collect2: error: ld returned 1 exit status

 gcc main.c 只编译了main.c文件，并没有包含对mymath.o 和 mystdio.h 的链接操作，因为main.c 依赖于mymath.h 和 mystdio.h 中声明的函数，因此仅编译main.c是不够的。

解决办法一：

gcc main.c mymath.o mystdio.o -o myexe

将.o文件 和.c文件一起编译链接。 

解决办法二：

将main.o也编译成.o文件

[jkl@host roommate]$ gcc -c main.c
[jkl@host roommate]$ ls
main.c  main.o  mymath.h  mymath.o  mystdio.h  mystdio.o
[jkl@host roommate]$ gcc mymath.o mystdio.o main.o -o myexe
[jkl@host roommate]$ ls
main.c  main.o  myexe  mymath.h  mymath.o  mystdio.h  mystdio.o
[jkl@host roommate]$ ./myexe
10 + 20  = 30
[jkl@host roommate]$ ls
log.txt  main.c  main.o  myexe  mymath.h  mymath.o  mystdio.h  mystdio.o
[jkl@host roommate]$ cat log.txt
这是我写的...

通过ar指令将所有.o文件打包： 

ar -rc libmyc.a *.o # 将所有.o文件打包成libmyc.a文件

r(replace) 选项表示替换库中已存在的文件。

c(create) 选项表示创建一个新的库 。

1.2、怎么使用静态库

  • 方式一：直接使用打包的文件

为了更好的使用静态库，我们把前面打包的文件拷贝到另外的目录进行操作。

cp libmyc.a roommate/ # 将打包的文件拷贝到下级目录下
[jkl@host roommate]$ cp ../mymath.h . # 将.h文件拷贝到下级目录
[jkl@host roommate]$ cp ../mystdio.h .
[jkl@host roommate]$ ls
main.c  myexe  mymath.h  mymath.o  mystdio.h  mystdio.o

 直接使用gcc 编译

[jkl@host roommate]$ gcc main.c
/tmp/ccuZcLr1.o: In function `main':
main.c:(.text+0x21): undefined reference to `myAdd'
main.c:(.text+0x49): undefined reference to `my_fopen'
main.c:(.text+0x84): undefined reference to `my_fwrite'
main.c:(.text+0x90): undefined reference to `my_fclose'
collect2: error: ld returned 1 exit status

使用gcc 编译main.c 和 libmyc.a 

[jkl@host roommate]$ gcc main.c libmyc.a
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  libmyc.a  main.c  mymath.h  mystdio.h
[jkl@host roommate]$ ./a.out
10 + 20  = 30
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  libmyc.a  log.txt  main.c  mymath.h  mystdio.h
[jkl@host roommate]$ cat log.txt
这是我写的...
  •  方式二：将打包的文件拷贝到系统库中(严重不推荐)

我们可以将自己写的.h头文件写到/usr/bin/目录下。

我们可以将自己打包的方法实现文件写到/usr/bin54/目录下。 

 

查看拷贝的文件 

[jkl@host roommate]$ ls /usr/include/mymath.h
/usr/include/mymath.h
[jkl@host roommate]$ ls /usr/include/mystdio.h
/usr/include/mystdio.h
[jkl@host roommate]$ ls /usr/lib64/libmyc.a
/usr/lib64/libmyc.a

把上面的两步操作做完之后，我们可以直接编译main函数，头文件可以使用<>。

main.c

#include <mymath.h>
#include <mystdio.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>

int main()
{
  int a = 10;
  int b = 20;
  
  printf("%d + %d  = %d\n",a,b,myAdd(a,b));

  myFILE* fp = my_fopen("log.txt","w");
  if(fp == NULL) return 1;

  const char* message = "这是我写的...\n";

  my_fwrite(fp,message,strlen(message));
  my_fclose(fp);
  return 0;
}

直接使用gcc编译还是会报错，因为该方法的实现是我们自己写的，gcc/g++不认识，所以直接编译会报错。 

[jkl@host roommate]$ gcc main.c
/tmp/ccZqyRSO.o: In function `main':
main.c:(.text+0x21): undefined reference to `myAdd'
main.c:(.text+0x49): undefined reference to `my_fopen'
main.c:(.text+0x84): undefined reference to `my_fwrite'
main.c:(.text+0x90): undefined reference to `my_fclose'
collect2: error: ld returned 1 exit status

在gcc编译.c文件之后需要加参数，-l libmyc.a，且需要去掉lib和.a，因此正确的命令是gcc main.c -lmyc (-l后面可以加空格也可以不加空格) 

[jkl@host roommate]$ gcc main.c -lmyc
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  main.c  mylib
[jkl@host roommate]$ ./a.out
10 + 20  = 30
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  log.txt  main.c  mylib
[jkl@host roommate]$ cat log.txt
这是我写的...

 第二种方式不推荐，因此演示完之后最好将拷贝的文件给删除掉。

[jkl@host roommate]$ sudo rm /usr/include/mymath.h
[jkl@host roommate]$ sudo rm /usr/include/mystdio.h
[jkl@host roommate]$ sudo rm /usr/lib64/libmyc.a
[jkl@host roommate]$ ls /usr/include/mymath.h
ls: cannot access /usr/include/mymath.h: No such file or directory
[jkl@host roommate]$ ls /usr/include/mystdio.h
ls: cannot access /usr/include/mystdio.h: No such file or directory
[jkl@host roommate]$ ls /usr/lib64/libmyc.a
ls: cannot access /usr/lib64/libmyc.a: No such file or directory

 方式三：通过命令链接静态库

[jkl@host roommate]$ tree .
.
|-- main.c
`-- mylib
    |-- include
    |   |-- mymath.h
    |   `-- mystdio.h
    `-- lib
        `-- libmyc.a

3 directories, 4 files

为什么不能直接使用 gcc main.c myc.a?

 因为告诉了gcc/g++编译器，但是没有告诉操作系统！！！

使用静态库：在编译其他程序时，可以通过-I(指定用户自定义头文件搜索路径)  -L（指定用户自定义库文件搜索路径）和 -l（执行确定的第三方库名称，去掉前缀lib和后缀.a）选项来链接静态库。

[jkl@host roommate]$ gcc main.c -I ./mylib/include/ -L ./mylib/lib -lmyc
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  main.c  mylib
[jkl@host roommate]$ ./a.out
10 + 20  = 30
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  log.txt  main.c  mylib
[jkl@host roommate]$ cat log.txt
这是我写的...

上面是动态链接的

[jkl@host roommate]$ ldd a.out
	linux-vdso.so.1 =>  (0x00007ffef6bf9000)
	libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f0448055000)
	/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f0448423000)

 gcc在不使用static选项的时候，并且只提供.a，只能静态链接当前的.a库，其他库正常动态链接，因此ldd能够查看动态库。

想要静态链接得加 -static

[jkl@host roommate]$ gcc main.c -I ./mylib/include/ -L ./mylib/lib -lmyc -static
[jkl@host roommate]$ ls
a.out  log.txt  main.c  mylib
[jkl@host roommate]$ ldd a.out
	not a dynamic executable
[jkl@host roommate]$ file a.out
a.out: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, for GNU/Linux 2.6.32, BuildID[sha1]=b10e09a9d03b05ebc14934c15a9d8b7071c94c29, not stripped

-static的意义是什么？

必须强制添加，因为将我们的程序进行静态链接，这要求我们链接的任何库都必须提供对应的静态库版本。

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