C++靜態庫與動態庫深入研究

這次分享的宗旨是——讓大家學會建立與使用靜態庫、動態庫，知道靜態庫與動態庫的區別，知道使用的時候如何選擇。這裡不深入介紹靜態庫、動態庫的底層格式，記憶體佈局等，有興趣的同學，推薦一本書《程式設計師的自我修養——連結、裝載與庫》。

什麼是庫

庫是寫好的現有的，成熟的，可以複用的程式碼。現實中每個程式都要依賴很多基礎的底層庫，不可能每個人的程式碼都從零開始，因此庫的存在意義非同尋常。

本質上來說庫是一種可執行程式碼的二進位制形式，可以被作業系統載入記憶體執行。庫有兩種：靜態庫（.a、.lib）和動態庫（.so、.dll）。

所謂靜態、動態是指連結。回顧一下，將一個程式編譯成可執行程式的步驟：

靜態庫

之所以成為【靜態庫】，是因為在連結階段，會將彙編生成的目標檔案.o與引用到的庫一起連結打包到可執行檔案中。因此對應的連結方式稱為靜態連結。

試想一下，靜態庫與彙編生成的目標檔案一起連結為可執行檔案，那麼靜態庫必定跟.o檔案格式相似。其實一個靜態庫可以簡單看成是一組目標檔案（.o/.obj檔案）的集合，即很多目標檔案經過壓縮打包後形成的一個檔案。靜態庫特點總結：

• 靜態庫對函式庫的連結是放在編譯時期完成的。
• 程式在執行時與函式庫再無瓜葛，移植方便。
• 浪費空間和資源，因為所有相關的目標檔案與牽涉到的函式庫被連結合成一個可執行檔案。

下面編寫一些簡單的四則運算C++類，將其編譯成靜態庫給他人用，標頭檔案如下所示：

#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);//減法
    static double mul(double a, double b);//乘法
    static double div(double a, double b);//除法

    void print();
};

inux下使用ar工具、Windows下vs使用lib.exe，將目標檔案壓縮到一起，並且對其進行編號和索引，以便於查詢和檢索。一般建立靜態庫的步驟如圖所示：

Linux下建立與使用靜態庫

Linux靜態庫命名規則

Linux靜態庫命名規範，必須是”lib[your_library_name].a”：lib為字首，中間是靜態庫名，副檔名為.a。

建立靜態庫（.a）

通過上面的流程可以知道，Linux建立靜態庫過程如下：

• 首先，將程式碼檔案編譯成目標檔案.o（StaticMath.o）

g++ -c StaticMath.cpp

注意帶引數-c，否則直接編譯為可執行檔案

• 然後，通過ar工具將目標檔案打包成.a靜態庫檔案

ar -crv libstaticmath.a StaticMath.o

生成靜態庫libstaticmath.a。

大一點的專案會編寫makefile檔案（CMake等等工程管理工具）來生成靜態庫，輸入多個命令太麻煩了。

使用靜態庫

編寫使用上面建立的靜態庫的測試程式碼：

#include "StaticMath.h"
#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    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();

    system("pause");
    return 0;
}

Linux下使用靜態庫，只需要在編譯的時候，指定靜態庫的搜尋路徑（-L選項）、指定靜態庫名（不需要lib字首和.a字尾，-l選項）。

# g++ TestStaticLibrary.cpp -L../StaticLibrary -lstaticmath

• -L：表示要連線的庫所在目錄
• -l：指定連結時需要的動態庫，編譯器查詢動態連線庫時有隱含的命名規則，即在給出的名字前面加上lib，後面加上.a或.so來確定庫的名稱。

Windows下建立與使用靜態庫

建立靜態庫（.lib）

如果是使用VS命令列生成靜態庫，也是分兩個步驟來生成程式：

• 首先，通過使用帶編譯器選項 /c 的 Cl.exe 編譯程式碼 (cl /c StaticMath.cpp)，建立名為“StaticMath.obj”的目標檔案。
• 然後，使用庫管理器 Lib.exe 連結程式碼 (lib StaticMath.obj)，建立靜態庫StaticMath.lib。

當然，我們一般不這麼用，使用VS工程設定更方便。建立win32控制檯程式時，勾選靜態庫型別；開啟工程“屬性皮膚”→”配置屬性”→”常規”，配置型別選擇靜態庫。

Build專案即可生成靜態庫。

使用靜態庫

測試程式碼Linux下面的一樣。有3種使用方法：

方法一：

在VS中使用靜態庫方法：

• 工程“屬性皮膚”→“通用屬性”→“框架和引用”→”新增引用”，將顯示“新增引用”對話方塊。 “專案”選項卡列出了當前解決方案中的各個專案以及可以引用的所有庫。 在“專案”選項卡中，選擇 StaticLibrary。 單擊“確定”。

• 新增StaticMath.h 標頭檔案目錄，必須修改包含目錄路徑。開啟工程“屬性皮膚”→”配置屬性”→“C/C++”→” 常規”，在“附加包含目錄”屬性值中，鍵入StaticMath.h 標頭檔案所在目錄的路徑或瀏覽至該目錄。

編譯執行OK。

如果引用的靜態庫不是在同一解決方案下的子工程，而是使用第三方提供的靜態庫lib和標頭檔案，上面的方法設定不了。還有2中方法設定都可行。

方法二：

開啟工程“屬性皮膚”→”配置屬性”→ “連結器”→ ”命令列”，輸入靜態庫的完整路徑即可。

方法三：

• “屬性皮膚”→”配置屬性”→“連結器”→”常規”，附加依賴庫目錄中輸入，靜態庫所在目錄；
• “屬性皮膚”→”配置屬性”→“連結器”→”輸入”，附加依賴庫中輸入靜態庫名StaticLibrary.lib。

動態庫

通過上面的介紹發現靜態庫，容易使用和理解，也達到了程式碼複用的目的，那為什麼還需要動態庫呢？

為什麼還需要動態庫？

為什麼需要動態庫，其實也是靜態庫的特點導致。

• 空間浪費是靜態庫的一個問題。

• 另一個問題是靜態庫對程式的更新、部署和釋出頁會帶來麻煩。如果靜態庫liba.lib更新了，所以使用它的應用程式都需要重新編譯、釋出給使用者（對於玩家來說，可能是一個很小的改動，卻導致整個程式重新下載，全量更新）。

動態庫在程式編譯時並不會被連線到目的碼中，而是在程式執行是才被載入。不同的應用程式如果呼叫相同的庫，那麼在記憶體裡只需要有一份該共享庫的例項，規避了空間浪費問題。動態庫在程式執行是才被載入，也解決了靜態庫對程式的更新、部署和釋出頁會帶來麻煩。使用者只需要更新動態庫即可，增量更新。

動態庫特點總結：

• 動態庫把對一些庫函式的連結載入推遲到程式執行的時期。
• 可以實現程式之間的資源共享。（因此動態庫也稱為共享庫）
• 將一些程式升級變得簡單。
• 甚至可以真正做到連結載入完全由程式設計師在程式程式碼中控制（顯示呼叫）。

Window與Linux執行檔案格式不同，在建立動態庫的時候有一些差異。

• 在Windows系統下的執行檔案格式是PE格式，動態庫需要一個DllMain函式做出初始化的入口，通常在匯出函式的宣告時需要有_declspec(dllexport)關鍵字。
• Linux下gcc編譯的執行檔案預設是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要函式做特別的宣告，編寫比較方便。

與建立靜態庫不同的是，不需要打包工具（ar、lib.exe），直接使用編譯器即可建立動態庫。

Linux下建立與使用動態庫

linux動態庫的命名規則

動態連結庫的名字形式為 libxxx.so，字首是lib，字尾名為“.so”。

• 針對於實際庫檔案，每個共享庫都有個特殊的名字“soname”。在程式啟動後，程式通過這個名字來告訴動態載入器該載入哪個共享庫。
• 在檔案系統中，soname僅是一個連結到實際動態庫的連結。對於動態庫而言，每個庫實際上都有另一個名字給編譯器來用。它是一個指向實際庫映象檔案的連結檔案（lib+soname+.so）。

建立動態庫（.so）

編寫四則運算動態庫程式碼：

#pragma once
class DynamicMath
{
public:
        DynamicMath(void);
        ~DynamicMath(void);

        static double add(double a, double b);
        static double sub(double a, double b);
        static double mul(double a, double b);
        static double div(double a, double b);
        void print();
};

首先，生成目標檔案，此時要加編譯器選項-fpic

g++ -fPIC -c DynamicMath.cpp

-fPIC 建立與地址無關的編譯程式（pic，position independent code），是為了能夠在多個應用程式間共享。

• 然後，生成動態庫，此時要加連結器選項-shared

g++ -shared -o libdynmath.so DynamicMath.o

-shared指定生成動態連結庫。

其實上面兩個步驟可以合併為一個命令：

g++ -fPIC -shared -o libdynmath.so DynamicMath.cpp

使用動態庫

編寫使用動態庫的測試程式碼：

#include "../DynamicLibrary/DynamicMath.h"

#include <iostream>
using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])
{
    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 dyn;
    dyn.print();
    return 0;
}

引用動態庫編譯成可執行檔案（跟靜態庫方式一樣）：

g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath

然後執行：./a.out，發現竟然報錯了！！！

可能大家會猜測，是因為動態庫跟測試程式不是一個目錄，那我們驗證下是否如此：

發現還是報錯！！！那麼，在執行的時候是如何定位共享庫檔案的呢？

1) 當系統載入可執行程式碼時候，能夠知道其所依賴的庫的名字，但是還需要知道絕對路徑。此時就需要系統動態載入器(dynamic linker/loader)。

2) 對於elf格式的可執行程式，是由ld-linux.so*來完成的，它先後搜尋elf檔案的 DT_RPATH段—環境變數LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache檔案列表—/lib/,/usr/lib 目錄找到庫檔案後將其載入記憶體。

如何讓系統能夠找到它：

• 如果安裝在/lib或者/usr/lib下，那麼ld預設能夠找到，無需其他操作。
• 如果安裝在其他目錄，需要將其新增到/etc/ld.so.cache檔案中，步驟如下：
• 1. 編輯/etc/ld.so.conf檔案，加入庫檔案所在目錄的路徑
• 2. 執行ldconfig ，該命令會重建/etc/ld.so.cache檔案

我們將建立的動態庫複製到/usr/lib下面，然後執行測試程式。

Windows下建立與使用動態庫

建立動態庫（.dll）

與Linux相比，在Windows系統下建立動態庫要稍微麻煩一些。首先，需要一個DllMain函式做出初始化的入口（建立win32控制檯程式時，勾選DLL型別會自動生成這個檔案）：

// dllmain.cpp : Defines the entry point for the DLL application.
#include "stdafx.h"

BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
                       DWORD  ul_reason_for_call,
                       LPVOID lpReserved
                     )
{
    switch (ul_reason_for_call)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH:
    case DLL_THREAD_ATTACH:
    case DLL_THREAD_DETACH:
    case DLL_PROCESS_DETACH:
        break;
    }
    return TRUE;
}

通常在匯出函式的宣告時需要有_declspec(dllexport)關鍵字：

#pragma once
class DynamicMath
{
public:
    __declspec(dllexport) DynamicMath(void);
    __declspec(dllexport) ~DynamicMath(void);

    static __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法
    static __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//減法
    static __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法
    static __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法

    __declspec(dllexport) void print();
};

生成動態庫需要設定工程屬性，開啟工程“屬性皮膚”→”配置屬性”→”常規”，配置型別選擇動態庫。

Build專案即可生成動態庫。

使用動態庫

建立win32控制檯測試程式：

#include "stdafx.h"
#include "DynamicMath.h"

#include <iostream>
using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    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 dyn;
    dyn.print();

    system("pause");
    return 0;
}

方法一：

• 工程“屬性皮膚”→“通用屬性”→“框架和引用”→”新增引用”，將顯示“新增引用”對話方塊。“專案”選項卡列出了當前解決方案中的各個專案以及可以引用的所有庫。 在“專案”選項卡中，選擇 DynamicLibrary。 單擊“確定”。

• 新增DynamicMath.h 標頭檔案目錄，必須修改包含目錄路徑。開啟工程“屬性皮膚”→”配置屬性”→“C/C++”→” 常規”，在“附加包含目錄”屬性值中，鍵入DynamicMath.h 標頭檔案所在目錄的路徑或瀏覽至該目錄。

編譯執行OK。

方法二：

• “屬性皮膚”→”配置屬性”→“連結器”→”常規”，附加依賴庫目錄中輸入，動態庫所在目錄；

• “屬性皮膚”→”配置屬性”→“連結器”→”輸入”，附加依賴庫中輸入動態庫編譯出來的DynamicLibrary.lib。

這裡可能大家有個疑問，動態庫怎麼還有一個DynamicLibrary.lib檔案？即無論是靜態連結庫還是動態連結庫，最後都有lib檔案，那麼兩者區別是什麼呢？其實，兩個是完全不一樣的東西。

StaticLibrary.lib的大小為190KB，DynamicLibrary.lib的大小為3KB，靜態庫對應的lib檔案叫靜態庫，動態庫對應的lib檔案叫【匯入庫】。實際上靜態庫本身就包含了實際執行程式碼、符號表等等，而對於匯入庫而言，其實際的執行程式碼位於動態庫中，匯入庫只包含了地址符號表等，確保程式找到對應函式的一些基本地址資訊。

動態庫的顯式呼叫

上面介紹的動態庫使用方法和靜態庫類似屬於隱式呼叫，編譯的時候指定相應的庫和查詢路徑。其實，動態庫還可以顯式呼叫。【在C語言中】，顯示呼叫一個動態庫輕而易舉！

在Linux下顯式呼叫動態庫

#include <dlfcn.h>，提供了下面幾個介面：

• void * dlopen( const char * pathname, int mode )：函式以指定模式開啟指定的動態連線庫檔案，並返回一個控制程式碼給呼叫程式。
• void* dlsym(void* handle,const char* symbol)：dlsym根據動態連結庫操作控制程式碼(pHandle)與符號(symbol)，返回符號對應的地址。使用這個函式不但可以獲取函式地址，也可以獲取變數地址。
• int dlclose (void *handle)：dlclose用於關閉指定控制程式碼的動態連結庫，只有當此動態連結庫的使用計數為0時,才會真正被系統解除安裝。
• const char *dlerror(void)：當動態連結庫操作函式執行失敗時，dlerror可以返回出錯資訊，返回值為NULL時表示操作函式執行成功。

在Windows下顯式呼叫動態庫

應用程式必須進行函式呼叫以在執行時顯式載入 DLL。為顯式連結到 DLL，應用程式必須：

• 呼叫 LoadLibrary（或相似的函式）以載入 DLL 和獲取模組控制程式碼。
• 呼叫 GetProcAddress，以獲取指向應用程式要呼叫的每個匯出函式的函式指標。由於應用程式是通過指標呼叫 DLL 的函式，編譯器不生成外部引用，故無需與匯入庫連結。
• 使用完 DLL 後呼叫 FreeLibrary。

顯式呼叫C++動態庫注意點

對C++來說，情況稍微複雜。顯式載入一個C++動態庫的困難一部分是因為C++的name mangling；另一部分是因為沒有提供一個合適的API來裝載類，在C++中，您可能要用到庫中的一個類，而這需要建立該類的一個例項，這不容易做到。

name mangling可以通過extern “C”解決。C++有個特定的關鍵字用來宣告採用C binding的函式：extern “C” 。用 extern “C”宣告的函式將使用函式名作符號名，就像C函式一樣。因此，只有非成員函式才能被宣告為extern “C”，並且不能被過載。儘管限制多多，extern “C”函式還是非常有用，因為它們可以象C函式一樣被dlopen動態載入。冠以extern “C”限定符後，並不意味著函式中無法使用C++程式碼了，相反，它仍然是一個完全的C++函式，可以使用任何C++特性和各種型別的引數。

另外如何從C++動態庫中獲取類，附上幾篇相關文章，但我並不建議這麼做：

• 《LoadLibrary呼叫DLL中的Class》：http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html
• 《C++ dlopen mini HOWTO》：http://blog.csdn.net/denny_233/article/details/7255673

“顯式”使用C++動態庫中的Class是非常繁瑣和危險的事情，因此能用“隱式”就不要用“顯式”，能靜態就不要用動態。

附件：Linux下庫相關命令

g++(gcc)編譯選項

• -shared ：指定生成動態連結庫。
• -static ：指定生成靜態連結庫。
• -fPIC ：表示編譯為位置獨立的程式碼，用於編譯共享庫。目標檔案需要建立成位置無關碼， 念上就是在可執行程式裝載它們的時候，它們可以放在可執行程式的記憶體裡的任何地方。
• -L. ：表示要連線的庫所在的目錄。
• -l：指定連結時需要的動態庫。編譯器查詢動態連線庫時有隱含的命名規則，即在給出的名字前面加上lib，後面加上.a/.so來確定庫的名稱。
• -Wall ：生成所有警告資訊。
• -ggdb ：此選項將盡可能的生成gdb 的可以使用的除錯資訊。
• -g ：編譯器在編譯的時候產生除錯資訊。
• -c ：只啟用預處理、編譯和彙編,也就是把程式做成目標檔案(.o檔案) 。
• -Wl,options ：把引數(options)傳遞給連結器ld 。如果options 中間有逗號,就將options分成多個選項,然後傳遞給連結程式。

nm命令

有時候可能需要檢視一個庫中到底有哪些函式，nm命令可以列印出庫中的涉及到的所有符號。庫既可以是靜態的也可以是動態的。nm列出的符號有很多，常見的有三種：

• 一種是在庫中被呼叫，但並沒有在庫中定義(表明需要其他庫支援)，用U表示；
• 一種是庫中定義的函式，用T表示，這是最常見的；
• 一種是所謂的弱態”符號，它們雖然在庫中被定義，但是可能被其他庫中的同名符號覆蓋，用W表示。

$nm libhello.h

ldd命令

ldd命令可以檢視一個可執行程式依賴的共享庫，例如我們編寫的四則運算動態庫依賴下面這些庫：

總結

二者的不同點在於程式碼被載入的時刻不同。

• 靜態庫在程式編譯時會被連線到目的碼中，程式執行時將不再需要該靜態庫，因此體積較大。
• 動態庫在程式編譯時並不會被連線到目的碼中，而是在程式執行是才被載入，因此在程式執行時還需要動態庫存在，因此程式碼體積較小。

動態庫的好處是，不同的應用程式如果呼叫相同的庫，那麼在記憶體裡只需要有一份該共享庫的例項。帶來好處的同時，也會有問題！如經典的DLL Hell問題，關於如何規避動態庫管理問題，可以自行查詢相關資料。