在Linux使用GCC編譯C語言共享庫
對任何程序員來說庫都是必不可少的。所謂的庫是指已經(jīng)編譯好的供你使用的代碼。它們常常提供一些通用功能，例如鏈表和二叉樹可以用來保存任何數(shù)據(jù)，或者是一個特定的功能例如一個數(shù)據(jù)庫服務(wù)器的接口，就像MySQL。
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大部分大型的軟件項(xiàng)目都會包含若干組件，其中一些你發(fā)現(xiàn)可以用在其他項(xiàng)目中，又或者你僅僅出于組織目的將不同組件分離出來。當(dāng)你有一套可復(fù)用的并且邏輯清晰的函數(shù)時，將其構(gòu)建為一個庫會十分有用，這樣你就不將這些源代碼拷貝到你的源代碼中，而且每次都要再次編譯它們。除此之外，你還可以保證你的程序各模塊隔離，這樣你修改其中一個模塊時也不會影響到其他的模塊。一旦你寫好一個模塊并且通過測試，你就可以無限次地安全地復(fù)用它，這可以節(jié)省大量時間和麻煩。
?
構(gòu)建靜態(tài)庫太簡單了，對此我們幾乎不會遇到什么問題。我不想說明如何構(gòu)建靜態(tài)庫。在此我只討論共享庫，因?yàn)閷Υ蠖鄶?shù)人來說它更加難懂。
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在我們正式開始前，讓我們列一下綱要來了解從源代碼到運(yùn)行程序之間發(fā)生了什么：
- 預(yù)處理：這個階段處理所有預(yù)處理指令。基本上就是源代碼中所有以#開始的行，例如#define和#include。
- 編譯：一旦源文件預(yù)處理完畢，接下來就是編譯。因?yàn)樵S多人提到編譯時都是指整個程序構(gòu)建過程，因此本步驟也稱作“compilation proper”。本步驟將.c文件轉(zhuǎn)換為.o文件。
- 連接：到這一步就該將你所有的對象文件和庫串聯(lián)起來使之成為最后的可運(yùn)行程序。需要注意的是，靜態(tài)庫實(shí)際上已經(jīng)植入到你的程序中，而共享庫，只是在程序中包含了對它們的引用。現(xiàn)在你有了一個完整的程序，隨時可以運(yùn)行。當(dāng)你從shell中啟動它，它就被傳遞給了加載器。
- 加載：本步驟發(fā)生在你的程序啟動時。首先程序需要被掃描以便引用共享庫。程序中所有被發(fā)現(xiàn)的引用都立即生效，對應(yīng)的庫也被映射到程序。
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第3步和第4步就是共享庫的奧秘所在。
現(xiàn)在，開始我們一個簡單的示例。
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?foo.h:
#ifndef foo_h__
#define
foo_h__
extern
void
foo(
void
);
#endif
//
foo_h__
?
foo.c:
#include <stdio.h>
void
foo(
void
)
{
puts(
"
Hello, I'm a shared library
"
);
}
?
main.c:
#include <stdio.h>
#include
"
foo.h
"
int
main(
void
)
{
puts(
"
This is a shared library test...
"
);
foo();
return
0
;
}
?
foo.h 定義了一個接口連接我們的庫，一個簡單的函數(shù)，foo()。foo.c包含了這個函數(shù)的實(shí)現(xiàn)，main.c是一個用到我們庫的驅(qū)動程序。
為了更好的演示本例子，所有代碼都放在/home/username/foo目錄下。
?
Step 1: 編譯無約束位代碼
我們需要把我們庫的源文件編譯成無約束位代碼。無約束位代碼是存儲在主內(nèi)存中的機(jī)器碼，執(zhí)行的時候與絕對地址無關(guān)。
$
gcc
-c -Wall -Werror -fpic foo.c
?
Step 2: 從一個對象文件創(chuàng)建共享庫
現(xiàn)在讓我們將對象文件變成共享庫。我們將其命名為libfoo.so：
$ gcc
-shared -o libfoo.so foo.o
?
Step 3: 連接共享庫
如你所見，一切都很簡單。我們現(xiàn)在有了一個共享庫。現(xiàn)在我們編譯我們的main.c并且將它連接到libfoo。我們將最終的運(yùn)行程序命名為test。注意：-lfoo選項(xiàng)并不是搜尋foo.o，而是libfoo.so。GCC編譯器會假定所有的庫都是以lib開頭，以.so或.a結(jié)尾（.so是指shared object共享對象或者shared libraries共享庫，.a是指archive檔案，或者靜態(tài)連接庫）。
$
gcc
-Wall -o test main.c -
lfoo
/usr/bin/
ld
: cannot
find
-
lfoo
collect2:
ld
returned
1
exit status
?
告訴GCC去哪找共享庫
Uh-oh!連接器不知道該去哪里找到libfoo。GCC有一個默認(rèn)的搜索列表，但我們的目錄并不在那個列表當(dāng)中。我們需要告訴GCC去哪里找到libfoo.so。這就要用到-L選項(xiàng)。在本例中，我們將使用當(dāng)前目錄/home/username/foo：
$
gcc
-L/home/username/foo -Wall -o test main.c -lfoo
?
Step 4: 運(yùn)行時使用庫
好的，沒有異常。讓我們運(yùn)行一下程序：
$ ./
test
.
/test: error
while
loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared
object
file
: No such
file
or directory
?
Oh no! 加載器不能找到共享庫。我們沒有將它安裝到標(biāo)準(zhǔn)位置，因此我們需要幫一幫加載器。我們有兩個選項(xiàng)：使用環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH或者rpath。讓我們先看看LD_LIBRARY_PATH：
?
使用LD_LIBRARY_PATH
$
echo
$LD_LIBRARY_PATH
?
目前什么都沒有。現(xiàn)在把我們的工作目錄添加到LD_LIBRARY_PATH中：
$ LD_LIBRARY_PATH=/home/username/
foo:$LD_LIBRARY_PATH
$ .
/
test
.
/test: error
while
loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared
object
file
: No such
file
or directory
?
為什么還報(bào)錯？雖然我們的目錄在LD_LIBRARY_PATH，但是我們還沒有導(dǎo)出它。在Linux中，如果你不將修改導(dǎo)出到一個環(huán)境變量，這些修改是不會被子進(jìn)程繼承的。加載器和我們的測試程序沒有繼承我們所做的修改，不過放心，要修復(fù)這個問題很簡單：
$ export LD_LIBRARY_PATH=/home/username/
foo:$LD_LIBRARY_PATH
$ .
/
test
This is a shared library test...
Hello, I
'
m a shared library
?
很好，運(yùn)行正常！LD_LIBRARY_PATH很適合做快速測試，尤其是那些你沒有管理員權(quán)限的系統(tǒng)。另一方面，導(dǎo)出LD_LIBRARY_PATH變量意味著可能會造成其他依賴LD_LIBRARY_PATH的程序出現(xiàn)問題，因此在做完測試后最好將LD_LIBRARY_PATH恢復(fù)成之前的樣子。
?
使用rpath
現(xiàn)在讓我們來試試rpath，首先需要清除LD_LIBRARY_PATH，確保我們是使用rpath來搜索庫文件。Rpath，或者稱為run path，是種可以將共享庫位置嵌入程序中的方法，從而不用依賴于默認(rèn)位置和環(huán)境變量。我們在連接環(huán)節(jié)使用rpath。注意“-Wl,-rpath=/home/username/foo”選項(xiàng)。-Wl會發(fā)送以逗號分隔的選項(xiàng)到連接器，因此我們通過它發(fā)送-rpath選項(xiàng)到連接器。（譯者按：逗號分隔符后面沒有空格，而是緊跟需要發(fā)送的選項(xiàng)。本例中為-rpath。一定注意"-Wl,-rpath"之間沒有空格。）
$ unset LD_LIBRARY_PATH
$
gcc
-L/home/username/foo -Wl,-rpath=/home/username/foo -Wall -o test main.c -
lfoo
$ .
/
test
This is a shared library test...
Hello, I
'
m a shared library
?
非常好，奏效了。rpath方法非常棒，因?yàn)槊總€程序都可以單獨(dú)羅列它自己的共享庫位置，因此不同的程序不會再在錯誤的路徑上搜索LD_LIBRARY_PATH。
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rpath和LD_LIBRARY_PATH
rpath也存在一些反作用面。首先，它要求共享庫必須安裝在一個固定的位置，這樣所有的用戶才可以在同一個位置訪問到庫。這就意味著在系統(tǒng)配置中不夠靈活。其次，如果庫涉及NFS掛載或者其他網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，你在啟動程序時會遇到延時或者更糟的情況。
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使用ldconfig修改ld.so
如果我們想讓系統(tǒng)上所有用戶都可以使用我的庫時該怎么辦？對此，你需要管理員權(quán)限。緣由有二：首先，將庫放到標(biāo)準(zhǔn)位置，很可能是/usr/lib或者/usr/local/lib，這些地方普通用戶是沒有寫的權(quán)限。其次，你需要修改ld.so配置文件并緩存。以root身份做一下操作：
$
cp
/home/username/foo/libfoo.so /usr/
lib
$
chmod
0755
/usr/lib/libfoo.so
?
現(xiàn)在文件在標(biāo)準(zhǔn)位置，對所有人都可讀。我們現(xiàn)在需要告訴加載器庫文件可用，因此讓我們更新一下緩存：
$ ldconfig
?
這將創(chuàng)建一個鏈接到我們的共享庫，并且更新緩存以便它可立即生效。讓我們再核實(shí)一下：
$ ldconfig -p |
grep
foo
libfoo.so (libc6)
=> /usr/lib/libfoo.so
?
現(xiàn)在我們的庫安裝好了，在我們開始測試它之前，我們一定要先清理一下其他東西：
以防萬一，先清理一下LD_LIBRARY_PATH：
$ unset LD_LIBRARY_PATH
?
重新連接我們的可執(zhí)行程序。注意：我們不需要-L選項(xiàng)，因?yàn)槲覀兊膸毂４嬖谀J(rèn)位置，我們可以不用rpath選項(xiàng)：
$
gcc
-Wall -o test main.c -lfoo
?
讓我們確認(rèn)一下我們將使用/usr/lib中我們庫的實(shí)例，使用ldd命令：
$ ldd test |
grep
foo
libfoo.so
=> /usr/lib/libfoo.so (
0x00a42000
)
?
很好，現(xiàn)在運(yùn)行一下程序吧：
$ ./
test
This is a shared library test...
Hello, I
'
m a shared library
?
以上就是所有內(nèi)容。我們講述了如何構(gòu)建一個共享庫，如何連接，如果解決最常見的共享庫加載問題，還有各種方法的優(yōu)劣性。
?
?
附：
1. Shared Libraries（共享庫） 和 Static Libraries（靜態(tài)庫）區(qū)別
共享庫是以.so（Windows平臺為.dll，OS X平臺為.dylib）作為后綴的文件。所有和庫有關(guān)的代碼都在這一個文件中，程序在運(yùn)行時引用它。使用共享庫的程序只會引用共享庫中它要用到的那段代碼。
靜態(tài)庫是以.a（Windows平臺為.lib）作為后綴的文件。所有和庫有關(guān)的代碼都在這一個文件中，靜態(tài)庫在編譯時就被直接鏈接到了程序中。使用靜態(tài)庫的程序從靜態(tài)庫拷貝它要使用的代碼到自身當(dāng)中。（Windows還有一種.lib文件是用來引用.dll文件，但其實(shí)它們和第一種情況是一樣的。）
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兩種庫各有千秋。
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使用共享庫可以減少程序中重復(fù)代碼的數(shù)量，讓程序體積更小。而且讓你可以用一個功能相同的對象來替換共享對象，這樣可以在增加性能的同時不用重新編譯那些使用到該庫的程序。但是使用共享庫會小額增加函數(shù)的執(zhí)行的成本，同樣還會增加運(yùn)行時的加載成本，因?yàn)楣蚕韼熘械姆栃枰P(guān)聯(lián)到它們使用的東西上。共享庫可以在運(yùn)行時加載到程序中，這是二進(jìn)制插件系統(tǒng)最通用的一種實(shí)現(xiàn)機(jī)制。
?
靜態(tài)庫總體上增加了程序體積，但它也意味著你無需隨時隨地都攜帶一份要用到的庫的拷貝。因?yàn)榇a在編譯時就已經(jīng)被關(guān)聯(lián)在一起，因此在運(yùn)行時沒有額外的消耗。
?
2. GCC首先在/usr/local/lib搜索庫文件，其次在/usr/lib，然后搜索-L參數(shù)指定路徑，搜索順序和-L參數(shù)給出路徑的順序一致。
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3. 默認(rèn)的GNU加載器ld.so，按以下順序搜索庫文件：
- 首先搜索程序中DT_RPATH區(qū)域，除非還有DT_RUNPATH區(qū)域。
- 其次搜索LD_LIBRARY_PATH。如果程序是setuid/setgid，出于安全考慮會跳過這步。
- 搜索DT_RUNPATH區(qū)域，除非程序是setuid/setgid。
- 搜索緩存文件/etc/ld/so/cache（停用該步請使用'-z nodeflib'加載器參數(shù)）
- 搜索默認(rèn)目錄/lib，然后/usr/lib（停用該步請使用'-z nodeflib'加載器參數(shù)）
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