Linux下动态链接库的创建和使用

时间：2021-07-09 09:13:30

1、链接库的基本知识

    库是一种软件组件技术，库里面封装了数据和函数。它的使用，可以是程序模块化。在程序中使用，我们可以称之为程序函数库。
    程序函数库可分为3种类型：静态函数库(static libraries)、共享函数库(shared libraries)、动态函数库(dynamically loaded libraries)：
    1、静态函数库，是在程序执行前就加入到目标程序中去了；
    2、共享函数库，则是在程序启动的时候加载到程序中，它可以被不同的程序共享
    3、动态函数库，并非另外一种库函数格式，它只是使用动态加载方式加载共享函数库。

    Windows系统包括静态链接库（.lib文件）和动态链接库（.dll文件）。
    Linux通常把库文件存放在/usr/lib或/lib目录下
    Linux库文件名由：前缀lib、库名和后缀3部分组成，其*享链接库以.so.X最为后缀, .X是版本号，静态链接库通常以.a作为后缀。
    Linux下标准库链接的三种方式（全静态 , 半静态 (libgcc,libstdc++), 全动态。 三种标准库链接方式的选项及区别见下表。

三种标准库链接方式的选项及区别：

标准库链接方式 示例连接选项 优点 缺点
全静态 -static -pthread -lrt -ldl 不会发生不同Linux 版本下的标准库不兼容问题 生成的文件比较大，应用程序功能受限（不能调用动态库等）
全动态 -pthread -lrt -ldl 生成的文件最小 不同Linux版本下标准库依赖不兼容问题
半静态(libgcc,libstdc++) -static-libgcc -L. -pthread -lrt -ldl 灵活度大，针对不同的标准库采取不同的链接策略，从而避免不兼容问题发生 难识别哪些库容易发生不兼容问题，会因选择的标准库版本而丧失某些功能

上述三种标准库链接方式中，比较特殊的是 半静态链接方式，主要在于其还需要在链接前增加额外的一个步骤：
ln -s ‘g++ -print-file-name=libstdc++.a’，作用是将 libstdc++.a（libstdc++ 的静态库）符号链接到本地工程链接目录
-print-file-name在gcc中的解释如下： Display the full path to library

ldd 简介：该命令用于打印出某个应用程序或者动态库所依赖的动态库 ,使用该命令我们可以观察到Linux标准库三种链接方式的区别。
从实际应用当中发现，最理想的标准库链接方式就是半静态链接，通常会选择将 libgcc 与 libstdc++ 这两个标准库静态链接，从而避免应用程序在不同 Linux 版本间标准库依赖不兼容的问题发生。

size 简介：该命令用于显示出可执行文件的大小

示例链接选项中所涉及命令（引用 GCC 原文）：

  • -llibrary
  • -l library：指定所需要的额外库
  • -Ldir：指定库搜索路径
  • -static：静态链接所有库
  • -static-libgcc：静态链接 gcc 库
  • -static-libstdc++：静态链接 c++ 库

2、静态链接库的创建和使用

   涉及命令：ar, ar是创建、修改、提取静态库的操作。
   ar -t 显示静态库的内容
   ar -d 从库中删除成员文件
   ar -r 在库中加入成员文件，若存在，则替换
   ar -c 创建一个库
   ar -s 无论ar命令是否修改了库内容，都强制重新生成库符号表
   步骤如下：
   1、在一个头文件种声明静态库所导出的函数。
   2、在一个源文件种实现静态库所导出的函数。
   3、编译源文件，生成可执行代码。
   4、将可执行代码所在的目标文件加入到某个静态库中，并将静态库拷贝到系统默认的存放库文件的目录下。

下面通过一个例子来说明：mylib.h种存放的是静态库提供给用户使用的函数的声明，mylib.c实现了mylib.h种声明的函数。
mylib.h

#ifndef _MYLIB_H_
#define _MYLIB_H_
void weclome(void);
void outString(const char *str);
#endif

mylib.cpp

#include "mylib.h"
void welcome(void){
    printf("welcome to libmylib\n");
}
void outString(const char *str){
if(str != NULL)
        printf("%s\n", str);
}

test.cpp

#include "mylib.h"
#include 
int main(void){
    printf("create and use library:\n");
    welcome();
    outString("it's successful\n");
return 0;
}
  1. 编译mylib.c生成目标文件：gcc -o mylib.o -c mylib.cpp
  2. 将目标文件加入到静态库中：ar rcs libmylib.a mylib.o
  3. 将静态库copy到Linux的库目录（/usr/lib或者/lib）下：cp libmylib.a /usr/lib/libmylib.a
  4. 使用静态库编译,编译时无需带上前缀和后缀：gcc -o test test.cpp -lmylib
  5. 运行可执行程序test: ./test

合并静态链接库的脚本代码清单：

 echo CREATE demo.a > ar.mac 
 echo SAVE >> ar.mac 
 echo END >> ar.mac 
 ar -M < ar.mac 
 ar -q demo.a CdtLog.o 
 echo OPEN demo.a > ar.mac 
 echo ADDLIB xml.a >> ar.mac 
 echo SAVE >> ar.mac 
 echo END >> ar.mac 
 ar -M < ar.mac 
 rm ar.mac

Linux makefile 中使用 ar 脚本方式进行静态库的创建，可以编写如下代码：

 define BUILD_LIBRARY 
$(if $(wildcard $@),@$(RM) $@) 
$(if $(wildcard ar.mac),@$(RM) ar.mac) 
$(if $(filter %.a, $^), 
@echo CREATE $@ > ar.mac 
@echo SAVE >> ar.mac 
@echo END >> ar.mac 
@$(AR) -M < ar.mac 
 ) 
$(if $(filter %.o,$^),@$(AR) -q $@ $(filter %.o, $^)) 
$(if $(filter %.a, $^), 
@echo OPEN $@ > ar.mac 
$(foreach LIB, $(filter %.a, $^), 
@echo ADDLIB $(LIB) >> ar.mac 
 ) 
@echo SAVE >> ar.mac 
@echo END >> ar.mac 
@$(AR) -M < ar.mac 
@$(RM) ar.mac 
 ) 
 endef 

$(TargetDir)/$(TargetFileName):$(OBJS) 
$(BUILD_LIBRARY)

Linux 静态库链接顺序问题及解决方法：
为了解决这种库链接顺序问题，我们需要增加一些链接选项 :
(CXX) (LINKFLAGS) (OBJS)−Xlinker"−(" (LIBS) -Xlinker “-)” -o $@
通过将所有需要被链接的静态库放入 -Xlinker “-(” 与 -Xlinker “-)” 之间，可以是 g++ 链接过程中， 自动循环链接所有静态库，从而解决了原本的链接顺序问题。

3、共享函数库的创建和使用

   GNU标准建议所有的函数库文件都放在/usr/local/lib目录下，而且建议命令可执行程序都放在/usr/local/bin目录下。
   文件系统层次化标准FHS（Filesystem Hierarchy Standard）规定了在一个发行包中大部分的函数库文件应该安装到/usr/lib目录下，但是如果某些
库是在系统启动的时候要加载的，则放到/lib目录下，而那些不是系统本身一部分的库则放到/usr/local/lib下面。
   上面两个路径的不同并没有本质的冲突。GNU提出的标准主要对于开发者开发源码的，而FHS的建议则是针对发行版本的路径的。具体的置信息可以看
/etc/ld.so.conf里面的配置信息，通过对它的修改，可以增加自己的目录。
   如果你想覆盖某个库中的一些函数，用自己的函数替换它们，同时保留该库中其他的函数的话，你可以在 /etc/ld.so.preload中加入你想要替换的库
(.o结尾的文件)，这些preloading的库函数将有优先加载的权ldconfig可以更新/etc/ld.so.cache。/etc/ld.so.cache可以大大提高访问函数库的速度。
   HP－UX系统下，就是用SHLIB_PATH这个变量，而在AIX下则使用LIBPATH这个变量。

共享函数库创建的一个标准命令格式：
gcc -shared -Wl,-soname,your_soname -o library_name file_list library_list

例子：

  • 1、创建Object文件：
    gcc -fPIC -g -c -Wall a.c
    gcc -fPIC -g -c -Wall b.c
  • 2、创建共享函数库
    gcc -shared -Wl,-soname,liblusterstuff.so.1 -o liblusterstuff.so.1.0.1 a.o b.o -lc

如果是C++项目，最简单是使用Cmake来完成共享库的创建，步骤如下：

  • 如果创建的是JNI链接库，则需要将 jdk/include/jni.h 和 jdk/include/linux/jni_md.h 复制到 /usr/include 目录下。反正执行make命令的时候将会报错

  • 1、确保gcc-c++编译环境， 安装命令：：
    yum install gcc-c++

  • 2、安装Cmake
    wget https://cmake.org/files/v3.5/cmake-3.5.1.tar.gz
    tar -xvf cmake-3.5.1.tar.gz
    cd cmake-3.5.1
    ./bootstrap
    make
    make install

  • 3、如果您使用的windows系统，则将您的项目上传到Linux，进入Linux下该项目的文件夹，创建CMakeLists.txt，内容格式如下: 

CMAKE_MINIMUM_REQUIRED(VERSION 2.6)  
# cpp 文件 
SET(test_SRCS  
    source/test1.cpp  
    source/test2.cpp  
    ......
)  

# 头文件
SET(test_HDRS  
include/test1.h  
include/test2.h  
    ..... 
)  

INCLUDE_DIRECTORIES(include)  

# test: 是生产的库的名字, 这里可以加上SHARED或者STATIC或者MODULE，分别表示动态库、静态库、模块。不加则默认是静态库
ADD_LIBRARY(test SHARED/STATIC/MODULE ${test_SRCS} ${test_HDRS}) 

# 生成可执行文件
# ADD_EXECUTABLE(test ${test_SRCS} ${test_HDRS})
  • 4、创建动态链接库：
    ccmake directory #用于配置编译选项，如VTK_DIR目录，一般这一步不需要配置
    cmake directory #用于根据CMakeLists.txt生成Makefile文件
    make #用于执行Makefile文件，编译程序，生成可执行文件

共享函数库的使用

   一旦你定义了一个共享函数库，你还需要安装它。其实简单的方法就是拷贝你的库文件到指定的标准的目录（例如/usr/lib），然后运行ldconfig。
如果你没有权限去做这件事情， 那么最简单的方法就是运行ldconfig：
    ldconfig -n directory_with_shared_libraries 
    然后设置LD_LIBRARY_PATH这个环境变量,它是一个以逗号分隔的路径的集合:
    LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH,my_program
    如果一个新版的函数库要和老版本的二进制的库不兼容，则soname需要改变。对于C语言，有四种情况会出现不兼容问题：
   · 一个函数的行文改变了，这样它就可能与最开始的定义不相符合。
   · 输出的数据项改变了。
   · 某些输出的函数删除了。
   · 某些输出函数的接口改变了。**

4、共享函数库的动态加载

   共享函数库可以在程序运行过程中的任何时间加载，它们特别适合在函数中加载一些模块和plugin扩展模块的场合，因为它可以在当程序需要某个
plugin模块时才动态的加载。
   Linux系统下，DL函数库与其他函数库在格式上没有特殊的区别。通常C语言环境下，需要包含这个头文件。 Linux中使用的函数和Solaris中一样，都是
dlpoen()API。当然不是所有的平台都使用同样的接口，例如HP-UX使用shl_load()机制，而Windows平台用另外的其他的调用接口。

dlopen() 

   dlopen函数打开一个函数库然后为后面的使用做准备。C语言原形是： 
     void * dlopen(const char *filename, int flag);
   如果文件名filename是以“/”开头，也就是使用绝对路径，那么dlopne就直接使用它，而不去查找某些环境变量或者系统设置的函数库所在的目录了。
否则dlopen（）就会按照下面的次序查找函数库文件：
   1. 环境变量LD_LIBRARY指明的路径。
   2. /etc/ld.so.cache中的函数库列表。
   3. /lib目录，然后/usr/lib。不过一些很老的a.out的loader则是采用相反的次序，也就是先查 /usr/lib，然后是/lib。
   dlopen()函数中，参数flag的值必须是RTLD_LAZY或者RTLD_NOW，RTLD_LAZY的意思是resolve undefined symbols as code from the dynamic library is executed，而RTLD_NOW的含义是resolve all undefined symbols before dlopen() returns and fail if this cannot be done'
   注意函数库的加载顺序。

dlerror()

    通过调用dlerror()函数，我们可以获得最后一次调用dlopen()，dlsym()，或者dlclose（）的错误信息。

dlsym()

   void * dlsym(void *handle, char *symbol);
   函数中的参数handle就是由dlopen打开后返回的句柄，symbol是一个以NIL结尾的字符串。
   如果dlsym()函数没有找到需要查找的symbol，则返回NULL。典型的调用过程如下：
dlerror();      /*clear error code */  
s = (actual_type)dlsym(handle,    symbol_being_searched_for);  
if((error = dlerror()) != NULL){  
    /* handle error, the symbol wasn't found */  
} else {  
    /* symbol found, its value is in s */  
}

dlclose()
dlopen()函数的反过程就是dlclose()数，dlclose()函数用力关闭一个DL函数库。真正释放的时候，如果函数库里面有_fini()这个函数，则自动调用_fini（）这个函数，做一些必要的处理。Dlclose（）返回0表示成功，其他非0值表示错误。

动态函数库的创建：
动态函数库并非另外一种库函数格式，可只是在程序运行的任何时候动态的加载的共享函数库或。它的创建可以参考共享函数库的创建。

动态函数库的使用：

int main(int argc, char *argv){  
void *handle;  
char *error;  

double (*cosine )(double);  
        handle = dlopen("/lib/libm.so.6", RTLD_LAZY);  
if(!handle){  
fputs(dlerror(), stderr);  
exit(1);  
        }  

        cosine = dlsym(handle, "cos");  
if((error = dlerror()) != NULL){  
fputs(error, stderr);  
exit(1);  
        }  

printf("%f", (*cosine)(2, 0));  

        dlclose(handle);  

return 0;  
}

如果这个程序名字叫test.c,那么用下面的命令来编译：
gcc -o test test.c –ldl
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