Linux 下静态链接和动态链接的原理及应用

我们知道一个.c 文件经过编译、链接最终可以形成一个可执行文件。

链接原理

当我们的程序包含多个文件时，那么这些文件是怎么形成一个目标文件的呢？

这就要涉及到链接器。

链接器的作用就是将多个目标文件链接成一个完整、可加载、可执行的目标文件。其输入是一组可以重定位的目标文件。

链接的主要作用有2个：

符号解析：将目标文件内的引用符号和该符号的定义联系起来。

将符号定义与存储器的位置联系起来，修改对这些符号的引用。

目标文件

典型的目标文件有3种形式

可重定位目标文件：这种目标文件后缀通常为.o，这种文件包含已经转换成机器指令的二进制代码和数据，但是这种文件还不能直接执行，因为这些指令和数据中往往还引用其他模块（目标文件）中的符号，这些其他模块的符号对于本模块来讲还都是未知的，因此这些符号的解析需要链接器对这些模块进行连接，这种操作也称为“重定位”。

可执行目标文件：这种文件同样包含二进制代码和数据，区别就是这些文件已经经过链接，因此这些文件是可以直接执行的。

共享目标文件：这是一种特殊类型的可重定位的目标文件，可以在需要它的程序运行过程或者加载时，动态的加载到内存中运行。这种文件的后缀通常为“.so”, 共享目标文件又称为“动态库”文件或者“共享库”文件。

符号解析

符号解析是链接的主要任务之一。只有在正确的解析了符号之后才能更改引用符号的位置，从而完成重定位，生成一个可以被机器直接加载执行的的可执行目标文件。每个可重定位目标文件都有一个符号表。在这个符号表中存储符号。这些符号分为3类：

本模块中引用其他模块所定义的全局符号。

本模块中定义的全局符号。

本模块中定义和引用的局部符号。

重定位

在符号解析结束后，每个符号的定义位置及大小都是已知的了。重定位操作只需要将这些符号链接起来。在该步骤中，链接器需要将所有参与链接的目标文件合并，并且为每一个符号分配存储内容的运行时地址。

重定位分为2个步骤进行：

重定位段：该步将所有目标文件中同类型的段合并，生成一个大段。比如，将所有参与链接的目标文件的数据段合并，生成一个大的数据段。合并之后，程序中的指令和变量就拥有一个统一并且唯一的运行时地址了。

重定位符号引用：由于目标文件中相同的段已经合并，因此程序中对符号的引用位置就都作废了。这时链接器需要修改这些引用符号的地址，使其指向正确的运行时地址。

程序库

所谓“程序库”就是包含了一些通用函数的数据和二进制可执行机器码的文件。这些文件是目标文件的一种，其不能单独执行。但是若与其他的可执行程序结合起来就可以执行了。

从链接方式上区别，程序库可分为静态库和动态库（共享库）两种：

静态库：是在可执行程序运行前就已经加入到执行代码中，成为执行程序的一部分来执行的。

动态库：是在执行程序启动时加载到执行程序中，可以被多个执行程序共享使用。

静态库

静态库是一些目标代码的集合。linux下静态目标文件一般以.a作为目标文件的后缀。在Linux环境下使用ar命令来创建一个静态库。静态库的优点就是在生成时已经编译成可重定位的目标文件，节省了编译时间，并且在编译时把代码复制到可执行代码段中，这样可执行程序就可以单独直接运行，但是缺点也是显而易见的，就是可执行文件可能会变得很臃肿。

静态库的创建

本文以四则运算来创建一个静态库，该静态库中包含四个函数：加、减、乘、除。

// static_lib.c
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}
int sub(int a, int b)
{
return a - b;
}
int mul(int a, int b)
{
return a * b;
}
int div(int a, int b)
{
return a / b;
}

生成一个可重定位的目标文件。

# gcc -c static_lib.c

在Linux下使用 ar 命令创建一个静态库，或者将目标文件加入到一个已经存在的静态库中。其使用方法如下：

ar rcs 静态库名 目标文件1 目标文件2 ... 目标文件n

该命令表示将目标文件1~n加入到指定的静态库中。若该静态库不存在，则创建静态库文件，并将库文件的扩展名命名为.a， 其中rcs这三个参数分别表示：把列表中的目标文件加入到静态库中（r）；若指定的静态库不存在，则创建该库文件（c）；更新静态库文件的索引，使之包含新加入的目标文件的内容（s）。

使用生成的 static_lib.o 目标文件创建一个静态库 static_lib.a

# ar rcs static_lib.a static_lib.o

查看生成的静态库文件

# ls
static_lib.a static_lib.c static_lib.o

静态库的使用

创建的静态库需要链接到应用程序中才能使用，为了方便引用，我们创建一个头文件，使用时把该头文件包含到应用程序中。

//static_lib.h
extern int add(int a, int b);
extern int sub(int a, int b);
extern int mul(int a, int b);
extern int div(int a, int b);

编写应用程序

//test.c
#include <stdio.h>
#include "static_lib.h"
int mAIn()
{
int a = 8, b = 4;
printf("the add : %dn", add(a, b));
printf("the sub : %dn", sub(a, b));
printf("the mul : %dn", mul(a, b));
printf("the div : %dn", div(a, b));
}

编译

# gcc test.c -o test -L. static_lib.a
或者
#gcc test.c -o test ./static_lib.a

运行

# ./test
the add ：12
the sub ：4
the mul ：32
the div ：2

动态库

动态库又称为共享库或者动态链接库。在 Linux 环境下为 so 文件。动态库是在程序运行时加载的。当一个应用程序装载了一个动态库后，其他应用程序仍可以装载同一个动态库。这个被多个进程同时使用的动态库在内存中只有一个副本，因此动态库易于程序模块的更新，更新库并不影响应用程序使用旧的、非向后兼容的版本。

创建动态库

我们依然使用以四则运算来创建一个动态库，该动态库中包含四个函数：加、减、乘、除。

// share_lib.c
int add(int a, int b)
{
return a + b;
}
int sub(int a, int b)
{
return a - b;
}
int mul(int a, int b)
{
return a * b;
}
int div(int a, int b)
{
return a / b;
}

Linux 下使用 gcc 创建一个动态库。由于动态库可以被多个进程共享加载，所以需要生成位置无关的目标文件。因此需要使用 gcc 编译器的 -fPIC 选项，该选项用于生成位置无关的代码。除了使用 -fPIC 选项，还需要使用 -shared 选项，该选项将位置无关的代码制作为动态库。

创建动态库的方法如下

# gcc -shared -fPIC -o share_lib.so share_lib.c
# ls
share_lib.so share_lib.c

动态库的使用

为了使应用程序可以正确的引用该库中的全局符号，需要制作一个包含该动态库文件中的全局符号声明的头文件。

//share_lib.h
extern int add(int a, int b);
extern int sub(int a, int b);
extern int mul(int a, int b);
extern int div(int a, int b);

编写一个应用程序使用动态库

//main.c
#include <stdio.h>
#include "share_lib.h"
int main()
{
int a = 8, b = 4;
printf("the add : %dn", add(a, b));
printf("the sub : %dn", sub(a, b));
printf("the mul : %dn", mul(a, b));
printf("the div : %dn", div(a, b));
}

运行

# gcc main.c ./share_lib.so -o main
# ./main
the add ：12
the sub ：4
the mul ：32
the div ：2