C++静态库与动态库
转自吴秦
什么是库##
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）。
回顾程序编译成可执行程序的步骤：
这里存在两种链接方式：静态链接、动态链接。
静态库##
静态库对应的静态链接，会将汇编生成的目标文件.o与引用到的静态库一起链接打包到可执行文件中。
特点###
静态库可以简单看成是一组目标文件（.o/.obj文件）的集合，即很多目标文件经过压缩打包后形成的一个文件。
静态库特点总结：
- 目标文件与牵涉到的静态库被链接合成一个可执行文件。
- 程序在运行时与静态库再无瓜葛，移植方便。
- 浪费空间和资源。
动态库##
动态库解决了静态库浪费空间的问题。
另一个问题是静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。如果静态库liba.lib更新了，所以使用它的应用程序都需要重新编译、发布给用户（对于玩家来说，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被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入。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。动态库在程序运行是才被载入，也解决了静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。用户只需要更新动态库即可，增量更新。
特点###
- 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（显示调用）。
程序实例##
test.cpp
#include "mymath.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
double a = 10;
double b = 2;
cout << "a + b = " << mymath::add(a, b) << endl;
cout << "a - b = " << mymath::sub(a, b) << endl;
cout << "a * b = " << mymath::mul(a, b) << endl;
cout << "a / b = " << mymath::div(a, b) << endl;
mymath sm;
sm.print();
return 0;
}
mymath.h
class mymath
{
public:
mymath(void);
~mymath(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();
};
mymath.cpp
#include <iostream>
#include "mymath.h"
mymath::mymath()
{
}
mymath::~mymath(){}
double mymath::add(double a, double b){
return a+b;
}
double mymath::sub(double a, double b){
return a-b;
}
double mymath::mul(double a, double b){
return a*b;
}
double mymath::div(double a, double b){
return a/b;
}
void mymath::print() {
std::cout << "Math Library." << std::endl;
}
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）###
Linux下使用ar工具(Windows下vs使用lib.exe)将目标文件压缩到一起，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：
通过上面的流程可以知道，Linux创建静态库过程如下：
首先，将代码文件编译成目标文件.o（mymath.o）#####
g++ -c mymath.cpp
注意带参数-c，否则直接编译为可执行文件
然后，通过ar工具将目标文件打包成.a静态库文件#####
ar -crv libmymath.a mymath.o
生成静态库libmymath.a。
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###
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）、指定静态库名（不需要lib前缀和.a后缀，-l选项）。
g++ test.cpp -L./ -lmymath
- -L：表示要连接的库所在目录
- -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或.so来确定库的名称。
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）。
创建动态库（.so）###
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。
首先，生成目标文件，此时要加编译器选项-fpic####
g++ -fPIC -c mymath.cpp
-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 libmymath.so mymath.o
-shared指定生成动态链接库。
其实上面两个步骤可以合并为一个命令：
g++ -fPIC -shared -o libmymath.so mymath.cpp
使用动态库###
引用动态库编译成可执行文件（跟静态库方式一样）：
g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath
运行结果##＃
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。
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。
附件(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：
clip_image046[4]
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。
