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Linux动态库和静态库

在Linux开发中，动态库和静态库是代码复用和程序构建的重要工具。无论是编写小型工具还是大型项目，理解动静态库的原理和使用方法都能极大提高开发效率。本文将从基本原理出发，逐步带您认识动静态库，分析它们的特征，并通过具体示例演示静态库和动态库的打包与使用过程。让我们开始吧！

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动静态库的基本原理

可执行程序的生成过程

要理解动静态库的本质，首先需要了解源代码如何变成可执行程序。在Linux下，这一过程分为四个步骤：

1. 预处理：处理头文件展开、去注释、宏替换和条件编译，生成 .i 文件。例如，#include 会被替换为头文件内容。
2. 编译：进行词法分析、语法分析、语义分析和符号汇总，将代码翻译成汇编指令，生成 .s 文件。
3. 汇编：将汇编指令转换为二进制机器码，生成目标文件 .o。
4. 链接：将多个 .o 文件链接起来，生成最终的可执行程序。

假设有五个文件：test1.c、test2.c、test3.c、test4.c 和 main1.c，要生成可执行程序，我们需要：

• 分别编译生成 test1.o、test2.o、test3.o、test4.o 和 main1.o。
• 将这些目标文件链接，生成最终程序。

如果另一个项目需要用 test1.c 到 test4.c 与 main2.c 生成新程序，过程相同。但如果这些文件频繁复用，每次都重新编译会很麻烦。这时，我们可以将 test1.o 到 test4.o 打包成一个“库”，供不同项目直接链接使用。

动静态库的本质

动静态库本质上是目标文件（.o）的集合，是可执行程序的“半成品”。它们不包含主函数（main），只提供函数或方法的实现，供其他程序调用。库的出现解决了代码复用问题，避免了重复编译的繁琐。

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认识动静态库

让我们通过一个简单程序认识动静态库：

#include <stdio.h>

int main()
{
    printf("hello world\n"); // 调用库函数
    return 0;
}

编译并运行：

gcc -o mytest mytest.c
./mytest

输出：hello world

背后的库支持

这个程序能输出 hello world，是因为 gcc 在链接时自动引入了 C 标准库。可以用 ldd 查看依赖：

ldd mytest

输出示例：

linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fff5f5ff000)
libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007f9c8e5b0000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f9c8e9b4000)

其中，libc.so.6 是 C 标准动态库的软链接。查看其真实文件：

ls -l /lib64/libc.so.6

输出：libc.so.6 -> libc-2.17.so

进一步检查文件类型：

file /lib64/libc-2.17.so

输出：ELF 64-bit LSB shared object, x86-64, ...

这表明 libc-2.17.so 是一个动态共享库（.so 后缀）。

动静态库的命名

• Linux：
  • 动态库：.so（shared object），如 libc.so.6。
  • 静态库：.a（archive），如 libm.a。
• Windows：
  • 动态库：.dll（dynamic link library）。
  • 静态库：.lib。

库名规则：去掉前缀 lib 和后缀（.so 或 .a）及版本号，剩下的是库名。例如，libc.so.6 的库名是 c。

静态链接示例

默认情况下，gcc 使用动态链接。若要静态链接，添加 -static：

gcc -o mytest-s mytest.c -static

检查依赖：

ldd mytest-s

输出：not a dynamic executable

静态链接的可执行文件不依赖动态库，体积明显更大：

ls -lh mytest mytest-s

可能输出：

• mytest：几十 KB（动态链接）。
• mytest-s：几 MB（静态链接）。

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动静态库各自的特征

静态库

• 链接方式：编译时将库代码复制到可执行文件中。
• 运行时：不依赖外部库。
• 优点：独立性强，可单独运行。
• 缺点：文件体积大；多个程序加载相同静态库时，内存中会有重复代码，浪费资源。

动态库

• 链接方式：运行时才加载库代码，可执行文件中只包含函数入口地址表。
• 运行时：由操作系统从磁盘加载到内存，多个程序共享同一份代码。
• 优点：节省磁盘和内存空间，多个程序共享库时效率高。
• 缺点：依赖动态库，若库缺失则无法运行。

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静态库的打包与使用

示例文件

我们用以下文件演示：

• add.h：

  #pragma once
  extern int my_add(int x, int y);
  

• add.c：

  #include "add.h"
  int my_add(int x, int y) { return x + y; }
  

• sub.h：

  #pragma once
  extern int my_sub(int x, int y);
  

• sub.c：

  #include "sub.h"
  int my_sub(int x, int y) { return x - y; }
  

打包

1. 生成目标文件

gcc -c add.c -o add.o
gcc -c sub.c -o sub.o

• -c：只编译，不链接，生成 .o 文件。

2. 打包静态库

ar -rc libcal.a add.o sub.o

• ar：归档工具。
• -r：替换已有文件。
• -c：创建新库。
• libcal.a：生成静态库。

验证：

ar -tv libcal.a

输出示例：

rw-r--r-- 0/0  1234 Mar 19 12:34 2025 add.o
rw-r--r-- 0/0  1234 Mar 19 12:34 2025 sub.o

3. 组织文件

mkdir -p mathlib/include mathlib/lib
mv add.h sub.h mathlib/include/
mv libcal.a mathlib/lib/

目录结构：

mathlib/
├── include/
│   ├── add.h
│   └── sub.h
└── lib/
    └── libcal.a

使用 Makefile

CC = gcc
AR = ar
CFLAGS = -c
TARGET = libcal.a
OBJS = add.o sub.o

all: $(TARGET)
add.o: add.c add.h
	$(CC) $(CFLAGS) add.c -o add.o
sub.o: sub.c sub.h
	$(CC) $(CFLAGS) sub.c -o sub.o
$(TARGET): $(OBJS)
	$(AR) -rc $(TARGET) $(OBJS)
output:
	mkdir -p mathlib/include mathlib/lib
	cp *.h mathlib/include/
	cp $(TARGET) mathlib/lib/
clean:
	rm -f *.o $(TARGET) mathlib -r
.PHONY: all output clean

• make：生成库。
• make output：组织文件。

使用

测试程序 main.c：

#include <stdio.h>
#include <add.h>

int main()
{
    int x = 20, y = 10;
    int z = my_add(x, y);
    printf("%d + %d = %d\n", x, y, z);
    return 0;
}

方法一：使用选项

gcc main.c -I./mathlib/include -L./mathlib/lib -lcal -o main

• -I：头文件路径。
• -L：库文件路径。
• -l：指定库名（cal）。

运行：

./main

输出：20 + 10 = 30

方法二：拷贝到系统路径

sudo cp mathlib/include/* /usr/include/
sudo cp mathlib/lib/libcal.a /lib64/
gcc main.c -lcal -o main

• 注意：仍需 -lcal 指定库名。

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动态库的打包与使用

打包

1. 生成目标文件

gcc -c -fPIC add.c -o add.o
gcc -c -fPIC sub.c -o sub.o

• -fPIC：生成位置无关码，动态库必需。

2. 打包动态库

gcc -shared -o libcal.so add.o sub.o

• -shared：生成共享库。

3. 组织文件

mkdir -p mlib/include mlib/lib
mv add.h sub.h mlib/include/
mv libcal.so mlib/lib/

使用 Makefile

CC = gcc
CFLAGS = -c -fPIC
TARGET = libcal.so
OBJS = add.o sub.o

all: $(TARGET)
add.o: add.c add.h
	$(CC) $(CFLAGS) add.c -o add.o
sub.o: sub.c sub.h
	$(CC) $(CFLAGS) sub.c -o sub.o
$(TARGET): $(OBJS)
	$(CC) -shared -o $(TARGET) $(OBJS)
output:
	mkdir -p mlib/include mlib/lib
	cp *.h mlib/include/
	cp $(TARGET) mlib/lib/
clean:
	rm -f *.o $(TARGET) mlib -r
.PHONY: all output clean

使用

编译

gcc main.c -I./mlib/include -L./mlib/lib -lcal -o main

运行时问题

运行 ./main 可能报错：

./main: error while loading shared libraries: libcal.so: cannot open shared object file

检查依赖：

ldd main

输出：libcal.so => not found

解决方法

1. 拷贝到系统路径：

   sudo cp mlib/lib/libcal.so /lib64/
   ./main
   

2. 设置 LD_LIBRARY_PATH：

   export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/home/user/mlib/lib
   ./main
   

3. 配置 /etc/ld.so.conf.d/：

   echo "/home/user/mlib/lib" > mylib.conf
   sudo mv mylib.conf /etc/ld.so.conf.d/
   sudo ldconfig
   ./main
   

   • ldconfig：更新动态库缓存。

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总结

• 静态库：打包用 ar，生成 .a 文件，编译时嵌入代码，独立性强但体积大。
• 动态库：用 gcc -shared，生成 .so 文件，运行时加载，节省空间但依赖库文件。
• 使用差异：静态库无需运行时配置，动态库需确保库路径可访问。

通过本文，您应该已经掌握了Linux下动静态库的原理和实践。希望这些知识能在您的开发中派上用场！

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