如何在 Linux 上动态链接模块库

当使用 C 编程语言编写一个应用程序时，你的代码通常有多个源文件代码。

最终，这些文件必须被编译到一个单个的可执行文件之中。你可以通过创建静态或动态库（后者也被称为 共享shared 库）来实现这一点。这两种类型的库在创建和链接的方式上有所不同。两者都有缺点和优点，这取决于你的使用情况。

动态链接是最常见的方法，尤其是在 Linux 系统上。动态链接会保持库模块化，因此，很多应用程序可以共享一个库。应用程序的模块化也允许单独更新其依赖的共享库。

在这篇文章中，我将演示动态链接是如何工作的。在后期的文章中，我将演示静态链接。

链接器

链接器linker是一个命令，它将一个程序的数个部分结合在一起，并为它们重新组织内存分配。

链接器的功能包括：

• 整合一个程序的所有的部分
• 计算出一个新的内存组织结构，以便所有的部分组合在一起
• 恢复内存地址，以便程序可以在新的内存组织结构下运行
• 解析符号引用

链接器通过这些功能，创建了一个名为可执行文件executable的可以运行的程序。在你创建一个动态链接的可执行文件前，你需要一些用来链接的库，和一个用来编译的应用程序。准备好你 ​​最喜欢的文本编辑器​​ 并继续。

创建目标文件

首先，创建带有这些函数签名的头文件 ​​mymath.h​​ ：

    int add(int a, int b);
    int sub(int a, int b);
    int mult(int a, int b);
    int divi(int a, int b);

使用这些函数定义来创建 ​​add.c​​​ 、​​sub.c​​​ 、​​mult.c​​​ 和 ​​divi.c​​ 文件。我将把所有的代码都放置到一个代码块中，请将其分为四个文件，如注释所示：

    // add.c
    int add(int a, int b){
    return (a+b);
    }
    //sub.c
    int sub(int a, int b){
    return (a-b);
    }
    //mult.c
    int mult(int a, int b){
    return (a*b);
    }
    //divi.c
    int divi(int a, int b){
    return (a/b);
    }

现在，使用 GCC 来创建目标文件 ​​add.o​​​、​​sub.o​​​、​​mult.o​​​ 和 ​​divi.o​​ ：

（LCTT 校注：关于“目标文件object file”，有时候也被称作“对象文件”，对此，存在一些译法混乱情形，称之为“目标文件”的译法比较流行，本文采用此译法。）

    $ gcc -c add.c sub.c mult.c divi.c

​​-c​​ 选项跳过链接步骤，并且只创建目标文件。

创建一个共享的目标文件

在最终的可执行文件的执行过程中将链接动态库。在最终的可执行文件中仅放置动态库的名称。实际上的链接过程发生在运行时，在此期间，可执行文件和库都被放置到了主内存中。

除了可共享外，动态库的另外一个优点是它减少了最终的可执行文件的大小。在一个应用程序最终的可执行文件生成时，其使用的库只包括该库的名称，而不是该库的一个多余的副本。

你可以从你现有的示例代码中创建动态库：

    $ gcc -Wall -fPIC -c add.c sub.c mult.c divi.c

选项 ​​-fPIC​​​ 告诉 GCC 来生成位置无关的代码position-independent code（PIC）。​​-Wall​​ 选项不是必需的，并且与代码的编译方式是无关的。不过，它却是一个有价值的选项，因为它会启用编译器警告，这在排除故障时是很有帮助的。

使用 GCC ，创建共享库 ​​libmymath.so​​ ：

    $ gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o mult.o divi.o

现在，你已经创建了一个简单的示例数学库 ​​libmymath.so​​ ，你可以在 C 代码中使用它。当然，也有非常复杂的 C 库，这就是他们这些开发者来生成最终产品的工艺流程，你和我可以安装这些库并在 C 代码中使用。

接下来，你可以在一些自定义代码中使用你的新数学库，然后链接它。

创建一个动态链接的可执行文件

假设你已经为数学运算编写了一个命令。创建一个名称为 ​​mathDemo.c​​ 的文件，并将这些代码复制粘贴至其中：

nclude <stdlib.h>
int main()
{
  int x, y;
  printf("Enter two numbers\n");
  scanf("%d%d",&x,&y);
 
  printf("\n%d + %d = %d", x, y, add(x, y));
  printf("\n%d - %d = %d", x, y, sub(x, y));
  printf("\n%d * %d = %d", x, y, mult(x, y));
  if(y==0){
    printf("\nDenominator is zero so can't perform division\n");
      exit(0);
  }else{
      printf("\n%d / %d = %d\n", x, y, divi(x, y));
      return 0;
  }
}

注意：第一行是一个 ​​include​​​ 语句，通过名称来引用你自己的 ​​libmymath​​​ 库。要使用一个共享库，你必须已经安装了它，如果你没有安装你将要使用的库，那么当你的可执行文件在运行并搜索其包含的库时，将找不到该共享库。如果你需要在不安装库到已知目录的情况下编译代码，这里有 ​​一些方法可以覆盖默认设置​​。不过，对于一般使用来说，我们希望库存在于已知的位置，因此，这就是我在这里演示的东西。

复制文件 ​​libmymath.so​​​ 到一个标准的系统目录，例如：​​/usr/lib64​​​， 然后运行 ​​ldconfig​​​ 。​​ldconfig​​ 命令创建所需的链接，并缓存到标准库目录中发现的最新共享库。

    $ sudo cp libmymath.so /usr/lib64/
    $ sudo ldconfig

编译应用程序

从你的应用程序源文件代码（​​mathDemo.c​​​）中创建一个名称为 ​​mathDemo.o​​ 的目标文件：

    $ gcc -I . -c mathDemo.c

​​-I​​​ 选项告诉 GCC 来在其后所列出的目录中搜索头文件（在这个示例中是 ​​mymath.h​​​）。在这个示例中，你指定的是当前目录，通过一个单点（​​.​​​）来表示。创建一个可执行文件，使用 ​​-l​​ 选项来通过名称来引用你的共享数学库：

    $ gcc -o mathDynamic mathDemo.o -lmymath

GCC 会找到 ​​libmymath.so​​​ ，因为它存在于一个默认的系统库目录中。使用 ​​ldd​​ 来查证所使用的共享库：

    $ ldd mathDemo
        linux-vdso.so.1 (0x00007fffe6a30000)
        libmymath.so => /usr/lib64/libmymath.so (0x00007fe4d4d33000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fe4d4b29000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fe4d4d4e000)

看看 ​​mathDemo​​ 可执行文件的大小：

    $ du ./mathDynamic
    24   ./mathDynamic

当然，它是一个小的应用程序，它所占用的磁盘空间量也反映了这一点。相比之下，相同代码的一个静态链接版本（正如你将在我后期的文章所看到的一样）是 932K !

    $ ./mathDynamic
    Enter two numbers
    25
    5
    25 + 5 = 30
    25 - 5 = 20
    25 * 5 = 125
    25 / 5 = 5

你可以使用 ​​file​​ 命令来查证它是动态链接的：

    $ file ./mathDynamic
    ./mathDynamic: ELF 64-bit LSB executable, x86-64,
    dynamically linked,
    interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2,
    with debug_info, not stripped

成功！

动态链接

因为链接发生在运行时，所以，使用一个共享库会产生一个轻量型的可执行文件。因为它在运行时解析引用，所以它会花费更多的执行时间。不过，因为在日常使用的 Linux 系统上绝大多数的命令是动态链接的，并且在现代硬件上，所能节省的时间是可以忽略不计的。对开发者和用户来说，它的固有模块性是一种强大的功能。

在这篇文章中，我描述了如何创建动态库，并将其链接到一个最终可执行文件。在我的下一篇文章中，我将使用相同的源文件代码来创建一个静态链接的可执行文件。