GCC使用动态库和静态库

我们知道,CC++ 程序从源文件到生成可执行文件需经历 4 个阶段,分别为预处理、编译、汇编和链接,本节将重点围绕链接阶段,对静态链接库和动态链接库做详细的讲解。

通过前面对 gcc(g++)指令的系统学习,我们已经学会了如何使用 gcc -c 指令将源文件生成对应的目标文件。那么,什么是库文件呢?

所谓库文件,读者可以将其等价为压缩包文件,该文件内部通常包含不止一个目标文件(也就是二进制文件)。值得一提的是,库文件中每个目标文件存储的代码,并非完整的程序,而是一个个实用的功能模块。

例如,C 语言库文件提供有大量的函数(如 scanf()、printf()、strlen() 等),C++ 库文件不仅提供有使用的函数,还有大量事先设计好的类(如 string 字符串类)。

库文件的产生,极大的提高了程序员的开发效率,因为很多功能根本不需要从 0 开发,直接调取包含该功能的库文件即可。并且,库文件的调用方法也很简单,以 C 语言中的 printf() 输出函数为例,程序中只需引入 <stdio.h> 头文件,即可调用 printf() 函数。

有读者可能会问,调用库文件为什么还要牵扯到头文件呢?首先,头文件和库文件并不是一码事,它们最大的区别在于:头文件只存储变量、函数或者类等这些功能模块的声明部分,库文件才负责存储各模块具体的实现部分。读者可以这样理解:所有的库文件都提供有相应的头文件作为调用它的接口。也就是说,库文件是无法直接使用的,只能通过头文件间接调用。

头文件和库文件相结合的访问机制,最大的好处在于,有时候我们只想让别人使用自己实现的功能,并不想公开实现功能的源码,就可以将其制作为库文件,这样用户获取到的是二进制文件,而头文件又只包含声明部分,这样就实现了“将源码隐藏起来”的目的,且不会影响用户使用。关于如何制作库文件,后续章节会做详细讲解。

事实上,库文件只是一个统称,代指的是一类压缩包,它们都包含有功能实用的目标文件。要知道,虽然库文件用于程序的链接阶段,但编译器提供有两种实现链接的方式,分别称为静态链接方式和动态链接方式,其中采用静态链接方式实现链接操作的库文件,称为静态链接库;采用动态链接方式实现链接操作的库文件,称为动态链接库。

那么,静态链接库和动态链接库到底有什么不同呢?

静态链接库

静态链接库实现链接操作的方式很简单,即程序文件中哪里用到了库文件中的功能模块,GCC 编译器就会将该模板代码直接复制到程序文件的适当位置,最终生成可执行文件。

使用静态库文件实现程序的链接操作,既有优势也有劣势:

  • 优势是,生成的可执行文件不再需要任何静态库文件的支持就可以独立运行(可移植性强);
  • 劣势是,如果程序文件中多次调用库中的同一功能模块,则该模块代码势必就会被复制多次,生成的可执行文件中会包含多段完全相同的代码,造成代码的冗余。

和使用动态链接库生成的可执行文件相比,静态链接库生成的可执行文件的体积更大。另外值得一提的是,在 Linux 发行版系统中,静态链接库文件的后缀名通常用 .a 表示;在 Windows 系统中,静态链接库文件的后缀名为 .lib。

动态链接库

动态链接库,又称为共享链接库。和静态链接库不同,采用动态链接库实现链接操作时,程序文件中哪里需要库文件的功能模块,GCC 编译器不会直接将该功能模块的代码拷贝到文件中,而是将功能模块的位置信息记录到文件中,直接生成可执行文件。

显然,这样生成的可执行文件是无法独立运行的。采用动态链接库生成的可执行文件运行时,GCC 编译器会将对应的动态链接库一同加载在内存中,由于可执行文件中事先记录了所需功能模块的位置信息,所以在现有动态链接库的支持下,也可以成功运行。

采用动态链接库实现程序的连接操作,其优势和劣势恰好和静态链接库相反:

  • 优势是,由于可执行文件中记录的是功能模块的地址,真正的实现代码会在程序运行时被载入内存,这意味着,即便功能模块被调用多次,使用的都是同一份实现代码(这也是将动态链接库称为共享链接库的原因)。
  • 劣势是,此方式生成的可执行文件无法独立运行,必须借助相应的库文件(可移植性差)。

和使用静态链接库生成的可执行文件相比,动态链接库生成的可执行文件的体积更小,因为其内部不会被复制一堆冗余的代码。在 Linux 发行版系统中,动态链接库的后缀名通常用 .so 表示;在 Windows 系统中,动态链接库的后缀名为 .dll。

总结

值得一提的是,GCC 编译器生成可执行文件时,默认情况下会优先使用动态链接库实现链接操作,除非当前系统环境中没有程序文件所需要的动态链接库,GCC 编译器才会选择相应的静态链接库。如果两种都没有(或者 GCC 编译器未找到),则链接失败。

在 Linux 发行版中,静态链接库和动态链接库通常存放在 /usr/bin 或者 /bin 目录下。图 1 所示是在 CentOS 系统中,系统库文件在 /usr/bin 目录下的存储状态。

01_GCC使用动态库和静态库.png

实际开发中,除了可以利用上图所示的链接库文件外,我们还可以亲自动手,自定义一个静态链接库或者动态链接库。