Linux 中的靜態庫和動態庫簡介及生成過程示例

在實際的軟體開發專案中，不是每一行程式碼都需要我們親自寫。在我們的軟體產品中，有一些程式碼(尤其是函式)的出現頻率很高，它們可以被當作公共程式碼來反覆使用。為了避免重複勞動，我們就把這些公共程式碼編譯為庫檔案，供需要的程式呼叫。在Linux中，庫分為靜態庫和動態庫兩種。

本文對靜態庫和動態庫進行了詳細的介紹，並用實際的C程式碼演示了這兩種庫的生成過程。

一、靜態庫和動態庫簡介

眾所周知，程式一般需要經過預處理、編譯、彙編和連結這幾個步驟才能變成可執行的程式。在實際的軟體開發中，對於一些需要被許多模組反覆使用的公共程式碼，我們就將它們編譯為庫檔案。

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。Linux支援的庫分為靜態庫和動態庫，動態庫又稱共享庫。一般說來，Linux中的一些重要的庫是存放在lib目錄下的。

靜態庫檔案的字尾為.a，在Linux下一般命名為libxxx.a。在連結步驟中，聯結器將從靜態庫檔案中取得所需的程式碼，複製到生成的可執行檔案中。因此，整個庫中的所有函式都被編譯進了目的碼中。

動態庫檔案的字尾為.so，在Linux下一般命名為libxxx.so。相對於靜態庫，動態庫在編譯的時候並沒有被編譯進目的碼中，而是程式執行到相關函式時才呼叫庫中對應的函式。

可以看到，靜態庫的優點是編譯後的執行程式不需要外部的函式庫支援，缺點是如果靜態函式庫改變了，那麼你的程式必須重新編譯；而動態庫在多個應用程式都要使用同一函式庫的時候就非常適合，但前提是程式的執行環境中必須提供相應的庫。
不管是靜態庫，還是動態庫，都是由*.o目標檔案生成的。

二、靜態庫生成示例

1.單個檔案生成靜態庫示例

我們編寫如下簡單的三個程式檔案：test.h、test.c和main.c，在main.c中要呼叫test.c中實現的函式test。
test.h檔案內容：

#include <stdio.h>

void test();

test.c檔案內容：

#include "test.h"

void test()
{
    printf("this is in test....../n");
}

main.c檔案內容：

#include "test.h"

int main()
{
    test();
    return 0;
}

將此三個檔案上傳到Linux機器上，編譯生成靜態庫檔案，之後呼叫庫檔案的整個過程如下所示：

~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ll
-rw------- 1 zhou dba 53 Nov  4 16:04 main.c
-rw------- 1 zhou dba 80 Nov  4 16:04 test.c
-rw------- 1 zhou dba 36 Nov  4 16:04 test.h
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> gcc -c test.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ll
-rw------- 1 zhou dba   53 Nov  4 16:04 main.c
-rw------- 1 zhou dba   80 Nov  4 16:04 test.c
-rw------- 1 zhou dba   36 Nov  4 16:04 test.h
-rw-rw-rw- 1 zhou dba 1624 Nov  4 16:06 test.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ar -r libtest.a test.o
ar: creating libtest.a
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ll
-rw------- 1 zhou dba   53 Nov  4 16:04 main.c
-rw-rw-rw- 1 zhou dba 1766 Nov  4 16:06 libtest.a
-rw------- 1 zhou dba   80 Nov  4 16:04 test.c
-rw------- 1 zhou dba   36 Nov  4 16:04 test.h
-rw-rw-rw- 1 zhou dba 1624 Nov  4 16:06 test.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> gcc -o test main.c libtest.a
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ll
-rw------- 1 zhou dba    52 Nov  4 16:09 main.c
-rwxrwxrwx 1 zhou dba 11876 Nov  4 16:09 test
-rw-rw-rw- 1 zhou dba  1766 Nov  4 16:06 libtest.a
-rw------- 1 zhou dba    80 Nov  4 16:04 test.c
-rw------- 1 zhou dba    36 Nov  4 16:04 test.h
-rw-rw-rw- 1 zhou dba  1624 Nov  4 16:06 test.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/single> ./test
this is in test......

我們可以看到，生成庫檔案的命令是“ar -r libtest.a test.o”，而將靜態庫檔案編譯進程式碼的命令是“gcc -o test main.c libtest.a”。

這樣生成了靜態庫檔案libtest.a之後，如果還有其他程式要呼叫test.c中實現的函式，只需要將test.h和libtest.a拷貝到對應的程式碼工程中，然後執行類似“gcc -o test main.c libtest.a”這樣的命令即可。

2.多個檔案生成靜態庫示例

我們編寫如下簡單的五個程式檔案：test.h、test_1.c、test_2.c、test_3.c和main.c，在main.c中要呼叫test_1.c、test_2.c、test_3.c中實現的函式test_1、test_2、test_3。

test.h檔案內容：

#include <stdio.h>

void test_1();
void test_2();
void test_3();

test_1.c檔案內容：

#include "test.h"

void test_1()
{
    printf("this is in test_1....../n");
}

test_2.c檔案內容：

#include "test.h"

void test_2()
{
    printf("this is in test_2....../n");
}

test_3.c檔案內容：

#include "test.h"

void test_3()
{
    printf("this is in test_3....../n");
}

main.c檔案內容：

#include "test.h"

int main()
{
    test_1();
    test_2();
    test_3();
    return 0;
}

將此五個檔案上傳到Linux機器上，編譯生成靜態庫檔案，之後呼叫庫檔案的整個過程如下所示：

~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ll
-rw------- 1 zxin10 dba 96 Nov  4 16:11 main.c
-rw------- 1 zxin10 dba 70 Nov  4 16:04 test.h
-rw------- 1 zxin10 dba 84 Nov  4 16:04 test_1.c
-rw------- 1 zxin10 dba 84 Nov  4 16:04 test_2.c
-rw------- 1 zxin10 dba 84 Nov  4 16:04 test_3.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> gcc -c test_1.c test_2.c test_3.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ll
-rw------- 1 zxin10 dba   96 Nov  4 16:11 main.c
-rw------- 1 zxin10 dba   70 Nov  4 16:04 test.h
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_1.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_1.o
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_2.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_2.o
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_3.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_3.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ar -r libtest.a test_1.o test_2.o test_3.o
ar: creating libtest.a
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ll
-rw------- 1 zxin10 dba   96 Nov  4 16:11 main.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 5158 Nov  4 16:15 libtest.a
-rw------- 1 zxin10 dba   70 Nov  4 16:04 test.h
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_1.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_1.o
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_2.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_2.o
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 16:04 test_3.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba 1624 Nov  4 16:15 test_3.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> gcc -o test main.c libtest.a
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ll
-rw------- 1 zxin10 dba    96 Nov  4 16:11 main.c
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba 12008 Nov  4 16:16 test
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba  5158 Nov  4 16:15 libtest.a
-rw------- 1 zxin10 dba    70 Nov  4 16:04 test.h
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 16:04 test_1.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba  1624 Nov  4 16:15 test_1.o
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 16:04 test_2.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba  1624 Nov  4 16:15 test_2.o
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 16:04 test_3.c
-rw-rw-rw- 1 zxin10 dba  1624 Nov  4 16:15 test_3.o
~/zhouzhaoxiong/zzx/mytest/a/more> ./test
this is in test_1......
this is in test_2......
this is in test_3......

我們可以看到，生成靜態庫檔案的命令是“ar -r libtest.a test_1.o test_2.o test_3.o”，而將靜態庫檔案編譯進程式碼的命令是“gcc -o test main.c libtest.a”。

這樣生成了靜態庫檔案libtest.a之後，如果還有其他程式要呼叫test_1.c、test_2.c、test_3.c中實現的函式，只需要將test.h和libtest.a拷貝到對應的程式碼工程中，然後執行類似“gcc -o test main.c libtest.a”這樣的命令即可。

三、動態庫生成示例

1.單個檔案生成動態庫示例

我們編寫如下簡單的三個程式檔案：so_test.h、test_a.c和test.c，在test.c中要呼叫test_a.c中實現的函式test_a。
so_test.h檔案內容：

#include <stdio.h>

void test_a();

test_a.c檔案內容：

#include "so_test.h"

void test_a()
{
    printf("this is in test_a.../n");
}

test.c檔案內容：

#include "so_test.h"

int main()
{
    test_a();

    return 0;
}

將此三個檔案上傳到Linux機器上，編譯生成動態庫檔案，之後呼叫庫檔案的整個過程如下所示：

~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> ll
-rw------- 1 zxin10 dba  95 Nov  4 17:37 so_test.h
-rw------- 1 zxin10 dba 109 Nov  4 17:37 test.c
-rw------- 1 zxin10 dba  84 Nov  4 10:57 test_a.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> gcc test_a.c -fPIC -shared -o libtest.so
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> ll
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba 8181 Nov  4 17:43 libtest.so
-rw------- 1 zxin10 dba   95 Nov  4 17:37 so_test.h
-rw------- 1 zxin10 dba  109 Nov  4 17:37 test.c
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 10:57 test_a.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> gcc test.c -L. -ltest -o test
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> ll
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba  8181 Nov  4 17:43 libtest.so
-rw------- 1 zxin10 dba    95 Nov  4 17:37 so_test.h
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba 11805 Nov  4 17:44 test
-rw------- 1 zxin10 dba   109 Nov  4 17:37 test.c
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 10:57 test_a.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/so> ./test
this is in test_a...

注意，“./test”命令執行成功的前提是在環境變數中新增了.so檔案所在的路徑，這個路徑可以在“.bash_profile”檔案的“LD_LIBRARY_PATH”變數的值中新增。

我們可以看到，生成動態庫檔案的命令是“gcc test_a.c -fPIC -shared -o libtest.so”，而將動態庫檔案編譯進程式碼的命令是“gcc test.c -L. -ltest -o test”(-L.表示當前路徑)。

這樣生成了動態庫檔案libtest.so之後，如果還有其他程式要呼叫test_a.c中實現的函式，只需要將so_test.h和libtest.so拷貝到對應的程式碼工程中，然後執行類似“gcc test.c -L. -ltest -o test”這樣的命令即可(前提是libtest.so所在的路徑在環境變數中設定正確)。

2.多個檔案生成動態庫示例

我們編寫如下簡單的五個程式檔案：so_test.h、test_a.c、test_b.c、test_c.c和test.c，在test.c中要呼叫test_a.c、test_b.c、test_c.c中實現的函式test_a、test_b、test_c。

so_test.h檔案內容：

#include <stdio.h>

void test_a();
void test_b();
void test_c();

test_a.c檔案內容：

#include "so_test.h"

void test_a()
{
    printf("this is in test_a.../n");
}

test_b.c檔案內容：

#include "so_test.h"

void test_b()
{
    printf("this is in test_b.../n");
}

test_c.c檔案內容：

#include "so_test.h"

void test_c()
{
    printf("this is in test_c.../n");
}

test.c檔案內容：

#include "so_test.h"

int main()
{
    test_a();
    test_b();
    test_c();

    return 0;
}

將此五個檔案上傳到Linux機器上，編譯生成動態庫檔案，之後呼叫庫檔案的整個過程如下所示：

~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> ll
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba 8309 Nov  5 09:12 libtest
-rw------- 1 zxin10 dba   70 Nov  5 13:44 so_test.h
-rw------- 1 zxin10 dba  105 Nov  4 15:25 test.c
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 15:25 test_a.c
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 15:25 test_b.c
-rw------- 1 zxin10 dba   84 Nov  4 15:25 test_c.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> gcc test_a.c test_b.c test_c.c -fPIC -shared -o libtest.so
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> gcc test.c -L. -ltest -o test
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> ll
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba  8309 Nov  5 13:46 libtest.so
-rw------- 1 zxin10 dba    70 Nov  5 13:44 so_test.h
-rwxrwxrwx 1 zxin10 dba 11883 Nov  5 13:46 test
-rw------- 1 zxin10 dba   105 Nov  4 15:25 test.c
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 15:25 test_a.c
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 15:25 test_b.c
-rw------- 1 zxin10 dba    84 Nov  4 15:25 test_c.c
~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> ./test
this is in test_a...
this is in test_b...
this is in test_c...

注意，“./test”命令執行成功的前提仍然是在環境變數中新增了.so檔案所在的路徑，這個路徑可以在“.bash_profile”檔案的“LD_LIBRARY_PATH”變數的值中新增。

我們可以看到，多個檔案生成動態庫檔案的命令是“gcc test_a.c test_b.c test_c.c -fPIC -shared -o libtest.so”，而將動態庫檔案編譯進程式碼的命令是“gcc test.c -L. -ltest -o test”(-L.表示當前路徑)。

這樣生成了動態庫檔案libtest.so之後，如果還有其他程式要呼叫test_a.c、test_b.c、test_c.c中實現的函式，只需要將so_test.h和libtest.so拷貝到對應的程式碼工程中，然後執行類似“gcc test.c -L. -ltest -o test”這樣的命令即可(前提是libtest.so所在的路徑在環境變數中設定正確)。

四、總結

有關生成靜態庫和動態庫的命令，說明如下：

第一，在本文中，我們使用的生成靜態庫的命令形如“ar -r test.a test.o”，其中，-r是replace的意思，表示如果當前插入的模組名已經在庫中存在，則替換同名的模組。我們也可以用形如“ar -cr test.a test.o”的命令來生成靜態庫，其中-c是create的意思，表示生成。

第二，在本文中，我們使用的生成動態庫檔案的命令形如“gcc test_a.c -fPIC -shared -o libtest.so”，其中，fPIC表示編譯為位置獨立的程式碼，shared表示生成的庫為共享庫。將動態庫檔案編譯進程式碼的命令是“gcc test.c -L. -ltest -o test”，-L指定庫查詢的位置(注意L後面還有’.')，表示在當前目錄下查詢(如果在當前目錄下的lib目錄下查詢，可以寫成-L./lib)；-l則指定函式庫名，其中的lib和.so省略(如這裡的libtest.so就簡寫為test)。

第三，使用ldd命令可以檢視一個可執行程式依賴的共享庫，該命令的使用示例如下所示：

~/zhouzhaoxiong/zzx/mylib/test_so> ldd test
        linux-vdso.so.1 =>  (0x00007fff1db6e000)
        libtest.so => /home/zhou/lib/libtest.so (0x00007fdbfff21000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fdbffb95000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fdc00124000)

可以看到，可執行檔案test依賴於四個共享庫，其中libtest.so位於當前使用者的lib目錄下。

參考資料：

1. http://blog.chinaunix.net/uid-26833883-id-3219335.html
2. http://blog.csdn.net/bat603/article/details/1438408
3. http://blog.sina.com.cn/s/blog_795ed1810101789t.html