C++静态库和动态库详解（转）

蔚落 2021-12-10 14:11 496阅读 0赞

### 一、什么是库 ###

库是写好的现有的，成熟的，可以复用的代码。现实中每个程序都要依赖很多基础的底层库，不可能每个人的代码都从零开始，因此库的存在意义非同寻常。  
本质上来说库是一种可执行代码的二进制形式，可以被操作系统载入内存执行。库有两种：静态库（.a，.lib）和动态库（.so，.dll）。  
所谓静态、动态是指链接。回顾一下，将一个程序编译成可执行程序的步骤：  
![编译过程][20190712235050111.png_pic_center]

编译过程

### 二、静态库 ###

之所以称为静态库，是因为在链接阶段，会将汇编生成的目标文件（.o）与引用到的库一起链接打包到可执行文件中，因此对应的链接方式称为静态链接。

试想一下，静态库与汇编生成的目标文件一起链接为可执行文件，那么静态库必定跟（.o）文件格式相似。其实一个静态库可以简单看成一组目标文件（.o/.obj）文件的集合，即很多目标文件经过压缩打包形成的一个文件。静态库特点总结：

*  静态库对函数库的链接是放在编译时期完成的；
 *  程序在运行时与函数库再无瓜葛，移植方便；
 *  浪费空间和资源，因为所有的目标文件与牵涉到的函数库被链接成一个可执行文件。  
    下面编写一些简单的四则运算 C++ 类，将其编译成静态库给他人用，文件如下所示：

//StaticMath.h
    #pragma once
    class StaticMath
    { 
    public:
    	StaticMath(void);
    	~StaticMath(void);
    
    	static double add(double a, double b);//加法
    	static double sub(double a, double b);//减法
    	static double mul(double a, double b);//乘法
    	static double div(double a, double b);//除法
    
    	void print();
    };

//StaticMath.cpp
    #include <iostream>
    #include "StaticMath.h"
    using namespace std;
    
    StaticMath::StaticMath(void)
    { 
    }
    
    StaticMath::~StaticMath(void)
    { 
    }
    
    double StaticMath::add(double a, double b)
    { 
    	return a + b;
    }
    
    double StaticMath::sub(double a, double b)
    { 
    	return a - b;
    }
    
    double StaticMath::mul(double a, double b)
    { 
    	return a * b;
    }
    
    double StaticMath::div(double a, double b)
    { 
    	return a / b;
    }
    
    void StaticMath::print()
    { 
    	cout << "StaticMath Library!" << endl;
    }

Linux 下使用 ar 工具，Windows 下 VS 使用 lib.exe，将目标问价压缩到一起，并且对其进行编号和索引，以便于查找和检索。一般创建静态库的步骤如图所示：  
![在这里插入图片描述][20190713002018195.png_pic_center]

创建静态库过程

#### 1、Linux下创建与使用静态库 ####

##### Linux静态库命名规则 #####

Linux 静态库命名规范，必须是 “lib\[your\_library\_name\].a”，lib 为前缀，中间是静态库名，扩展名为 .a。

##### 创建静态库（.a） #####

通过上面的流程可以知道，Linux 创建静态库过程如下：

*  （1）首先，将代码文件编译成目标文件 .o（StaticMath.o）

`g++ -c StaticMath.cpp`

注意带参数 -c，否则直接编译为可执行文件

*  （2）然后，通过 ar 工具将目标文件打包成 .a 静态库文件

`ar -crv libstaticmath.a StaticMath.o`

生成静态库 libstaticmath.a

![在这里插入图片描述][20190713005015165.png_pic_center]  
大一点的项目会编写 makefile 文件（Cmake等等工程管理工具）来生成静态库，输入多个命令太麻烦了。

##### 使用静态库 #####

编写使用上面创建的静态库的测试代码：

//Test.cpp
    #include "StaticMath.h"
    #include <iostream>
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
    	double a = 10;
    	double b = 2;
    
    	cout << "a + b = " << StaticMath::add(a, b) << endl;
    	cout << "a - b = " << StaticMath::sub(a, b) << endl;
    	cout << "a * b = " << StaticMath::mul(a, b) << endl;
    	cout << "a / b = " << StaticMath::div(a, b) << endl;
    
    	StaticMath sm;
    	sm.print();
    
    	return 0;
    }

Linux 下使用静态库，只需要在编译的时候，指定静态库的搜索路径（-L选项），指定库名（不需要 lib 前缀和 .a 后缀，-l 选项）。

`g++ Test.cpp -L ./ -lstaticmath`

![在这里插入图片描述][20190713012133550.png_pic_center]

*  \-L：表示要链接的库所在目录
 *  \-l：指定链接时需要的动态库，编译器查找动态链接库时有隐含的命名规则，即在给出的名字前面加上 lib，后面加上 .a 或 .so 来确定库的名称。

#### 2、Windows下创建与使用静态库 ####

##### 创建静态库（.lib） #####

如果是使用 VS 命令行生成静态库，也是分两个步骤来执行：

*  （1）首先，通过使用带编译器选项 /c 的 cl.exe 编译代码（cl /c StaticMath.cpp），创建名为 “StaticMath.obj” 的目标文件；
 *  （2）然后，使用库管理器 Lib.exe 链接代码（lib StaticMath.obj），创建静态库 StaticMath.lib。  
    当然，我们一般不这么用，使用 VS 工程设置更方便。创建 win32 控制台程序时，勾选静态库类型；打开工程【属性面板】→【配置属性】→【常规】，配置类型选择静态库。新建项目，将 Static.h 和 Static.cpp 文件复制到该项目下，然后生成解决方案，即可生成静态库（.lib）  
    ![在这里插入图片描述][20190713021909989.png_pic_center]  
    ![在这里插入图片描述][20190713021716849.png_pic_center]  
    ![在这里插入图片描述][20190713021741523.png_pic_center]

##### 使用静态库 #####

###### 方法一： ######

**此方法适用于测试项目和静态库项目在同一个解决方案下**

*  （1）在静态库解决方案下新建 test 项目，将 test.cpp 文件拷贝到该项目中，点击【引用】→【添加引用】→【勾选StaticMath】→【点击确定】  
    ![在这里插入图片描述][20190713022322228.png_pic_center]
 *  （2）添加 StaticMath.h 头文件目录，必须修改包含文件目录。打开 test 项目【属性】→【配置属性】→【C/C++】→【常规】→【附加包含目录】→【键入 Static.h 头文件所在目录的路径，点击应用，然后保存】  
    ![在这里插入图片描述][20190713022613942.png_pic_center]
 *  （3）编译运行 test 项目，ok  
    ![在这里插入图片描述][20190713022852346.png_pic_center]  
    如果引用的静态库不是在同一解决方案下的子项目（工程），而是第三方提供的静态库 lib 和头文件，上面的方法设置不了，可按下面两种方法设置：

###### 方法二： ######

*  （1）新建 testlib 项目（和所创建的静态库不在同一解决方案下），将 test.cpp 文件拷贝到该目录下；
 *  （2）项目【属性】→【配置属性】→【链接器】→【命令行】→【输入静态库的完整路径即可】  
    ![在这里插入图片描述][20190713023943762.png_pic_center]
 *  （3）在【C/C++】→【附加包含目录】下添加 Static.h 文件的所在路径  
    ![在这里插入图片描述][20190713024006579.png_pic_center]
 *  （4）编译运行，ok  
    ![在这里插入图片描述][20190713024020579.png_pic_center]

###### 方法三： ######

*  （1）项目【属性】→【链接器】→【常规】→【附加库目录】中键入静态库所在目录；  
    ![在这里插入图片描述][20190713025302190.png_pic_center]
 *  （2）项目【属性】→【链接器】→【输入】→【附加依赖库】中键入静态库名 Static.lib；  
    ![在这里插入图片描述][20190713025351398.png_pic_center]
 *  （3）和前面一样，设置 Static.h 文件路径
 *  （4）编译运行，ok

### 三、动态库 ###

#### 1、为什么还需要动态库 ####

通过上面的介绍，发现静态库容易理解和使用，也达到了代码复用的目的，那为什么还需要动态库？为什么需要动态库，其实也是静态库的特点导致：

*  空间浪费是静态库的一个问题  
    ![在这里插入图片描述][20190713105313495.png_pic_center]
 *  另一个问题是静态库对程序的更新、部署和发布会带来麻烦。如果静态库（.a，.lib）更新了，所有使用它的应用程序都要重新编译，发布给用户（对于用户来说，可能是一个很小的改动，却导致整个程序重新下载，全量更新）  
    动态库在程序编译时并不会链接到目标代码中，而是在程序运行时才被载入。不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例，规避了空间浪费问题。动态库在程序运行时才被载入，也解决了静态库对程序的更新、部署和发布带来的麻烦，用户只需要更新动态库即可，增量更新。  
    ![在这里插入图片描述][20190713105642726.png_pic_center]

##### 动态库特点总结： #####

*  动态库把对一些库函数的链接载入推迟到程序运行的时期；
 *  可以实现进程之间的资源共享（因此动态库也称为共享库）；
 *  将一些程序升级变得简单；
 *  甚至可以真正做到链接载入完全由程序员在程序代码中控制（显式调用）。

**Windows与Linux执行文件格式不同，创建动态库的时候有一些差异：**

*  在 Windows 系统下的执行文件格式是 PE 格式，动态库需要一个 DllMain 函数做出初始化的入口，通常在导出函数的声明时需要有 \_\_declspec(dllexport) 关键字；
 *  Linux 下 gcc 编译的执行文件默认是 ELF 格式，不需要初始化入口，亦不需要函数做特别的声明，编写比较方便。

与创建静态库不同的是，不需要打包工具（ar，lib.exe），直接使用编译器即可创建动态库。

#### 2、Linux下创建与使用动态库 ####

##### Linux动态库的命名规则 #####

动态链接库的名字形式为 [libxxx.so][]，前缀是 lib，后缀名为 “.so”。

*  针对于实际库文件，每个共享库都有个特殊的名字 “soname”，在程序启动后，程序通过这个名字来告诉动态加载器该载入哪个共享库；
 *  在文件系统中，soname 仅是一个链接到实际动态库的链接。对于动态库而言，每个库实际上都有另一个名字给编译器来用，它是一个指向实际库镜像文件的链接文件（[lib+soname+.so][lib_soname_.so]）。

##### 创建动态库（.so） #####

编写四则运算动态库代码：

//DynamicMath.h
    #pragma once
    class DynamicMath
    { 
    public:
    	DynamicMath(void);
    	~DynamicMath(void);
    
    	static double add(double a, double b);//加法
    	static double sub(double a, double b);//减法
    	static double mul(double a, double b);//乘法
    	static double div(double a, double b);//除法
    
    	void print();
    };

//DynamicMath.cpp
    #include <iostream>
    #include "DynamicMath.h"
    using namespace std;
    
    DynamicMath::DynamicMath(void){ }
    DynamicMath::~DynamicMath(void){ }
    
    double DynamicMath::add(double a, double b)
    { 
    	return a + b;
    }
    
    double DynamicMath::sub(double a, double b)
    { 
    	return a - b;
    }
    
    double DynamicMath::mul(double a, double b)
    { 
    	return a * b;
    }
    
    double DynamicMath::div(double a, double b)
    { 
    	return a / b;
    }
    
    void DynamicMath::print()
    { 
    	cout << "DynamicMath Library!" << endl;
    }

*  首先生成目标文件，此时要加编译选项 -fPIC  
    `g++ -fPIC -c Dynamicath.cpp`  
    其中，-fPIC 创建与地址无关的编译程序（pic，position independent code），是为了能够在多个应用程序间共享
 *  然后生成动态库，此时要加链接器选项 -shared  
    `g++ -shared -o libdynamicmath.so DynamicMath.o`  
    \-shared 指定生成动态库链接  
    ![在这里插入图片描述][20190713114456662.png_pic_center]

其实上面两个步骤可以合并为一个命令：  
`g++ -fPIC -shared -o libdynamicmath.so DynamicMath.cpp`

##### 使用动态库 #####

编写使用动态库的测试代码：

//test.cpp
    #include <iostream>
    #include "DynamicMath.h"
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
    
    	double a = 10;
    	double b = 2;
    
    	cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;
    	cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;
    	cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;
    	cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;
    
    	DynamicMath dnm;
    	dnm.print();
    
    	//system("pause");
    	return 0;
    }

引用动态库编译成可执行文件（跟静态库方式一样）：  
`g++ test.cpp -L ./ -ldynamicmath`  
然后运行：./a.out ，发现竟然报错了，系统找不到我们生成的动态库，但是我们的动态库和测试文件都是在同一目录下的，那是怎么回事呢？  
![在这里插入图片描述][20190713115200664.png_pic_center]  
那么，在执行程序的时候是如何定位共享库文件的呢？

*  当系统加载可执行代码时候，如果知道其所依赖的库的名字，但是还需要知道绝对路径。此时就需要系统动态载入器（dynamicmath linker/loader）；
 *  对于 elf 格式的可执行程序，是由 [ld-linux.so][]\* 来完成的，它先后搜索 elf 文件的 DT\_RPATH 段→环境变量 LD\_LIBRARY\_PATH→/etc/ld.so.cache 文件列表→/lib/，/usr/lib 目录找到库文件后将其载入内存。

**如何让系统能够找到它：**

*  如果安装在 /lib 或者 /usr/lib 下，那么 ld 默认能够找到，无需其它操作；
 *  如果安装在其它目录，需要将其添加到 /etc/ld.so.cache、文件中，步骤如下：  
    （1）编辑 /etc/ld.so.conf 文件，加入库文件所在路径  
    （2）运行 ldconfig，该命令会重建 /etc/ld.so.cache 文件
 *  还有一种最常用的方法是配置环境变量，很简单，导出目录到环境变量中即可，这里不再赘述。

我们将创建的动态库复制到 /usr/lib 下面，然后运行测试程序，ok  
![在这里插入图片描述][20190713120544566.png_pic_center]

#### 3、Windows下创建与使用动态库 ####

##### 创建动态库（.dll） #####

*  新建项目，选择 DLL，空项目，将 Dynamic.h 和 DynamicMath.cpp 文件添加到给项目下，注意：在制作动态库的时候，头文件和源文件中在动态库中要导出的函数都要添加 \_\_declspec(dllexport) 宏，在使用动态库的时候，引入的头文件中函数前不必加入这个宏。  
    ![在这里插入图片描述][20190713123338610.png_pic_center]

//DynamicMath.h
    #pragma once
    
    __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法
    __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//减法
    __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法
    __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法
    
    __declspec(dllexport) void print();

//DynamicMath.cpp
    #include <iostream>
    #include "DynamicMath.h"
    using namespace std;
    
    __declspec(dllexport)
    double add(double a, double b)
    { 
    	return a + b;
    }
    __declspec(dllexport)
    double sub(double a, double b)
    { 
    	return a - b;
    }
    __declspec(dllexport)
    double mul(double a, double b)
    { 
    	return a * b;
    }
    __declspec(dllexport)
    double div(double a, double b)
    { 
    	return a / b;
    }
    __declspec(dllexport)
    void print()
    { 
    	cout << "DynamicMath Library!" << endl;
    }

*  生成解决方案，在项目文件的上一级目录的 Debug 目录下便生成了 .dll 和 .lib 文件，即我们创建的动态库  
    ![在这里插入图片描述][20190713123952826.png_pic_center]

##### 使用动态库 #####

###### 创建新测试项目 ######

*  添加 test.cpp文件

#include <iostream>
    #include "DynamicMath.h"
    using namespace std;
    
    int main()
    { 
    
    	double a = 10;
    	double b = 2;
    
    	cout << "a + b = " << add(a, b) << endl;
    	cout << "a - b = " << sub(a, b) << endl;
    	cout << "a * b = " << mul(a, b) << endl;
    	cout << "a / b = " << div(a, b) << endl;
    	print();
    
    	system("pause");
    	return 0;
    }

*  添加 DynamicMath.h 文件（此时的头文件不需要加 \_\_declspec(dllexport) 宏）
 *  将生成的动态库文件（.dll，.lib）文件复制到当前项目源代码路径下  
    ![在这里插入图片描述][20190713141340307.png_pic_center]
 *  项目→【属性】→【链接器】→【附加依赖项】将 .lib 文件全名添加进去，应用并确定  
    ![在这里插入图片描述][20190713141410512.png_pic_center]
 *  运行测试项目，加载动态库 ok  
    ![在这里插入图片描述][20190713141534751.png_pic_center]

**动态库为什么还有一个 DynamicMath.lib 文件呢？**

即无论是静态链接还是动态链接，最后都有 lib 文件，静态库对应的 lib 文件叫做静态库，动态库对应的 lib 文件叫做导入库。实际上静态库本身就包含了实际执行代码、符号表等等，而对于导入库而言，其实际的执行代码位于动态库中，导入库只包含了地址符号表等，确保程序找到对应函数的一些基本地址信息。

### 四、动态库的显式调用 ###

上面介绍的动态库使用方法和静态库类似属于隐式调用，编译的时候指定相应的库和查找路径。其实，动态库还可以显式调用。【在C语言中】，显示调用一个动态库轻而易举！

#### 在Linux下显式调用动态库 ####

\#include <dlfcn.h>，提供了下面几个接口：

*  void \* dlopen( const char \* pathname, int mode )：函数以指定模式打开指定的动态连接库文件，并返回一个句柄给调用进程。
 *  void\* dlsym(void\* handle,const char\* symbol)：dlsym根据动态链接库操作句柄(pHandle)与符号(symbol)，返回符号对应的地址。使用这个函数不但可以获取函数地址，也可以获取变量地址。
 *  int dlclose (void \*handle)：dlclose用于关闭指定句柄的动态链接库，只有当此动态链接库的使用计数为0时,才会真正被系统卸载。
 *  const char \*dlerror(void)：当动态链接库操作函数执行失败时，dlerror可以返回出错信息，返回值为NULL时表示操作函数执行成功。

#### 在Windows下显式调用动态库 ####

应用程序必须进行函数调用以在运行时显式加载 DLL。为显式链接到 DLL，应用程序必须：

*  调用 LoadLibrary（或相似的函数）以加载 DLL 和获取模块句柄。
 *  调用 GetProcAddress，以获取指向应用程序要调用的每个导出函数的函数指针。由于应用程序是通过指针调用 DLL 的函数，编译器不生成外部引用，故无需与导入库链接。
 *  使用完 DLL 后调用 FreeLibrary。

#### 显式调用C++动态库注意点 ####

对C++来说，情况稍微复杂。显式加载一个C++动态库的困难一部分是因为C++的name mangling；另一部分是因为没有提供一个合适的API来装载类，在C++中，您可能要用到库中的一个类，而这需要创建该类的一个实例，这不容易做到。  
name mangling可以通过extern "C"解决。C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数：extern “C” 。用 extern "C"声明的函数将使用函数名作符号名，就像C函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为extern “C”，并且不能被重载。尽管限制多多，extern "C"函数还是非常有用，因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern "C"限定符后，并不意味着函数中无法使用C++代码了，相反，它仍然是一个完全的C++函数，可以使用任何C++特性和各种类型的参数。

另外如何从C++动态库中获取类，附上几篇相关文章，但我并不建议这么做：

*  《LoadLibrary调用DLL中的Class》：[http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html][http_www.cppblog.com_codejie_archive_2009_09_24_97141.html]
 *  《C++ dlopen mini HOWTO》：[http://blog.csdn.net/denny\_233/article/details/7255673][http_blog.csdn.net_denny_233_article_details_7255673]

**“显式”使用C++动态库中的Class是非常繁琐和危险的事情，因此能用“隐式”就不要用“显式”，能静态就不要用动态。**

### 五、Linux下库相关命令 ###

#### g++(gcc)编译选项 ####

*  \-shared ：指定生成动态链接库。
 *  \-static ：指定生成静态链接库。
 *  \-fPIC ：表示编译为位置独立的代码，用于编译共享库。目标文件需要创建成位置无关码， 念上就是在可执行程序装载它们的时候，它们可以放在可执行程序的内存里的任何地方。
 *  \-L. ：表示要连接的库所在的目录。
 *  \-l：指定链接时需要的动态库。编译器查找动态连接库时有隐含的命名规则，即在给出的名字前面加上lib，后面加上.a/.so来确定库的名称。
 *  \-Wall ：生成所有警告信息。
 *  \-ggdb ：此选项将尽可能的生成gdb 的可以使用的调试信息。
 *  \-g ：编译器在编译的时候产生调试信息。
 *  \-c ：只激活预处理、编译和汇编,也就是把程序做成目标文件(.o文件) 。
 *  \-Wl,options ：把参数(options)传递给链接器ld 。如果options 中间有逗号,就将options分成多个选项,然后传递给链接程序。

#### nm命令 ####

有时候可能需要查看一个库中到底有哪些函数，nm命令可以打印出库中的涉及到的所有符号。库既可以是静态的也可以是动态的。nm列出的符号有很多，常见的有三种：

*  一种是在库中被调用，但并没有在库中定义(表明需要其他库支持)，用U表示；
 *  一种是库中定义的函数，用T表示，这是最常见的；
 *  一种是所谓的弱态”符号，它们虽然在库中被定义，但是可能被其他库中的同名符号覆盖，用W表示。

#### ldd命令 ####

ldd命令可以查看一个可执行程序依赖的共享库，例如我们编写的四则运算动态库依赖下面这些库：

![在这里插入图片描述][2019071314330892.png_pic_center]

### 六、总结 ###

二者的不同点在于代码被载入的时刻不同。

*  静态库在程序编译时会被连接到目标代码中，程序运行时将不再需要该静态库，因此体积较大。
 *  动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入，因此在程序运行时还需要动态库存在，因此代码体积较小。  
    动态库的好处是，不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例。带来好处的同时，也会有问题！如经典的DLL Hell问题，关于如何规避动态库管理问题，可以自行查找相关资料。

> 原博客地址：[C++静态库与动态库][C]

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