动静态库-动态库加载

前言

讲编译工具gcc时，讲到链接库，其中说静态链接和动态链接的相关知识，并且介绍了一些拓展命令，eg:od/file/ldd/readelf

接下来，目标：深入理解动静态库

引入

当我们想把我们写的代码给别人使用有两种方式：

1. 直接把我们写的源文件和头文件给别人。
2. 把源代码打包成库，加上头文件给别人。（库+.h）

优劣：

• 第一种：相当于把底层的东西直接暴露给使用者。
• 第二种：相当于只把使用说明（头文件）展示给使用者，使用者只知道如何调用方法，而不知道底层具体如何实现。

一、静态库

1. 创建静态库

①原理

1. 静态库其实就是一堆.o文件打包形成
2. 要先把源文件提前编译成目标文件
3. 所以生成的库，人是读不出来的。

②创建

2. 使用静态库

开发者的库(xxx.a) + 使用者编写的代码(xxx.c) = 可执行程序(xxx.exe)

①借助编译选项

测试代码：

1. 直接编译一下试试：
   
   结果：运行失败
   结论：我们这里测试的头文件，不在系统指定的目录下(usr/include)，所以gcc找不到这个头文件.

2. 告诉编译器，头文件的位置。使用-I选项，后面跟头文件所在路径即可
   命令：gcc main.c -I ./lib/include
   
   结果：运行失败
   结论：这里不再是找不到头文件了，使用我们指定头文件路径这个是正确的，但是结果中的报错，是变量未定义报错，那很明显是链接报错，找不到静态库

3. 告诉编译器，库的位置。使用-L选项，后面跟库文件所在路径即可
   命令：gcc main.c -I ./lib/include -L ./lib/mymathlib
   结果：运行失败
   结论：指定库文件路径依旧不行，因为还要指定库文件名。为什么头文件就可以不指定文件名，那是因为在main.c中已经包含了头文件名

4. 告诉编译器库的名称。使用-l选项，后紧跟库名。注：库名称是去掉lib和.a后缀。libmymath.a：mymath就是库名
   命令：gcc main.c -I ./lib/include -L ./lib/mymathlib -lmymath
   
   运行结果：
   

②只需要带库名

方法：

1. 把头文件和库放到系统指定路径下，就可以只带-l编译选项。其实这个动作就是库的安装
2. 头文件和库在系统指定的目录下，建立软链接，就可以只带-l编译选项（这个下面演示一下）

演示：给头文件和库在系统指定目录下建立软链接

1. 对头文件建立软链接
   • 查看系统指定目录下的软链接：建立软链接成功
   • 因为是在/usr/include目录下建立了一个路径的软链接，所以在测试使用的要包含头文件的方式要改变
     

• 运行程序
  命令：gcc main.c -L ./lib/mymathlib -lmymath 注意：因为头文件的软链接被放到系统的指定目录下，所以就不需要使用-I选项
  运行结果：
  

2. 对静态库建立软链接

• 运行程序
  命令：gcc main.c -I ./lib/include -lmymath 注：因为库的软链接被放到系统的指定目录下，所以就不需要使用-L选项
  运行结果：
  

注：把头文件和库在系统指定的目录下，一起建立软链接，就可以只适用-l选项。上面的演示，我没有放在一起，所以要么带L选项，要么就要带I选项

3. 小结

使用总结：

1. 大写i（I）指定头文件所在路径
2. 大写l（L）指定库所在路径
3. 小写l（l）指定库名称。注：库名称是去掉lib和.a后缀

静态库总结：

1. 把头文件和库都移动到系统的指定目录下就可以不加选项I和L，但是只要使用第三方库必定要使用gcc -l[库名]（第一二方，可以理解为系统和语言层次的库）
2. 在系统指定目录下建立软链接也可以不加选项I和L
3. 理解库中的全局变量
4. 如果系统只提供静态库，则编译器就只能进行静态链接
5. 可以链接多个库

二、动态库

1. 创建动态库

创建动态库的两个关键命令

1. 生成目标文件：gcc -fPIC -c $^
2. 生成动态库：gcc -shared -o $@ $^

生成动态库，并且分类：

注：发现生成的动态库具有可执行权限
虽然具有可执行权限，但是并不能执行
可执行权限：以可执行程序的方式加载到内存

2. 使用动态库

测试代码：

1. 编译：根据对静态库使用的编译选项，指定路径测试动态库
   命令：gcc test.c -I ./mylib/include -L ./mylib/lib -lmymethod
   
   结果：编译成功，生成了可执行程序a.out
2. 运行：
   
   结果：运行失败，没有发现共享库

注：ldd命令：显示可执行程序链接的动态库

3. 原因：
   • 因为是动态库要加载到内存。编译器确实知道了动态库的位置，但是我系统不知道——加载器
4. 解决：
   • 拷贝到系统默认的库路径/lib64 or /usr/lib64（最常用，我们以后使用的库，都是别人成熟的库，所以可以直接安装都系统指定的目录下）
   • 在系统默认的库路径（/lib64 or /usr/lib64）下建立软链接
   • 将自己的库所在的路径，条件到系统的环境变量LD_LIBRARY_PATH中
   • /etc/ld.so.conf.d建立自己的动态库路径的配置文件，然后加载(ldconfig)

这里测试一下后面两种解决办法，前面俩种拷贝和建立软链接就不测试了

1. 环境变量：
   
   • 注：重启Xshell之后，环境变量就恢复了，所以如果想一直可以，就要在配置文件中进行添加
2. 建立自己的动态库路径的配置文件
   
   • 注：
     1. 添加配置文件操作需要在root账号下
     2. 进入/etc/ld.so.conf.d目录下
     3. 创建一个以.conf为后缀的文件，名字任意
     4. 文件内填入需要使用的动态库路径
     5. ldconfig更新

如果还要添加别的路径下的动态库，需要再创建文件然后写入路径

注：外部库很多，eg:ncurses库——基于终端的图形界面库（可以上网搜下载一下玩玩）

三、 动态库加载原理——进程地址空间

1. 动态库在进程运行的时候，是要被加载的
2. 常见的动态库被所有的可执行程序使用（eg：c标准库就被Linux很多指令共享使用）。动态库 —— 共享库

所以动态库在系统加载后，会被所以进程共享

1. 地址

①程序没有被加载前的地址

问题：程序在编译好之后，没有运行前，内部有地址吗？

通过命令，可以把编译好的程序反汇编出来
命令：objdump -S a.out

所以程序编译好之后，内部就有地址了，而且现在的编译器大多会采用平坦模式。这个地址就是虚拟地址，更准确的说是逻辑地址，对于目前来说，二者并没有什么区别，所以还没加载到内存，这个虚拟地址已经出现了
注：
平坦模式：内存管理模式，它将整个内存地址空间视为一个连续的线性地址空间，从0递增，程序可以直接使用线性地址进行访问

②程序加载后的地址

把可执行程序加载到内存，必然要先形成好自己的PCB
图解：

2. 原理

①动态库的地址

图解：

所以也得出为什么采用fPIC（产生位置无关码），因为直接用偏移量对库中的函数进行编址。而静态库就不需要这样做，因为静态库是直接拷贝到可执行程序中去的，直接编址就可以

②原理

图解：

1. 结论：虚拟地址和物理地址建立映射，从此执行任何的代码，都是在我们的进程地址空间中执行的
2. 事实：系统在运行的时候，一定存在很多个动态库。所以OS就得管理起来 —— 先描述再组织。所以系统中所有库的加载情况，OS都清楚