在Linux使用GCC編譯C語言共享庫

對任何程序員來說庫都是必不可少的。所謂的庫是指已經編譯好的供你使用的代碼。它們常常提供一些通用功能，例如鏈表和二叉樹可以用來保存任何數據，或者是一個特定的功能例如一個數據庫服務器的接口，就像MySQL。

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大部分大型的軟件項目都會包含若干組件，其中一些你發現可以用在其他項目中，又或者你僅僅出于組織目的將不同組件分離出來。當你有一套可復用的并且邏輯清晰的函數時，將其構建為一個庫會十分有用，這樣你就不將這些源代碼拷貝到你的源代碼中，而且每次都要再次編譯它們。除此之外，你還可以保證你的程序各模塊隔離，這樣你修改其中一個模塊時也不會影響到其他的模塊。一旦你寫好一個模塊并且通過測試，你就可以無限次地安全地復用它，這可以節省大量時間和麻煩。

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構建靜態庫太簡單了，對此我們幾乎不會遇到什么問題。我不想說明如何構建靜態庫。在此我只討論共享庫，因為對大多數人來說它更加難懂。

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在我們正式開始前，讓我們列一下綱要來了解從源代碼到運行程序之間發生了什么：

1. 預處理：這個階段處理所有預處理指令。基本上就是源代碼中所有以#開始的行，例如#define和#include。
2. 編譯：一旦源文件預處理完畢，接下來就是編譯。因為許多人提到編譯時都是指整個程序構建過程，因此本步驟也稱作“compilation proper”。本步驟將.c文件轉換為.o文件。
3. 連接：到這一步就該將你所有的對象文件和庫串聯起來使之成為最后的可運行程序。需要注意的是，靜態庫實際上已經植入到你的程序中，而共享庫，只是在程序中包含了對它們的引用。現在你有了一個完整的程序，隨時可以運行。當你從shell中啟動它，它就被傳遞給了加載器。
4. 加載：本步驟發生在你的程序啟動時。首先程序需要被掃描以便引用共享庫。程序中所有被發現的引用都立即生效，對應的庫也被映射到程序。

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第3步和第4步就是共享庫的奧秘所在。

現在，開始我們一個簡單的示例。

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?foo.h:

      
        #ifndef foo_h__


      
      
        #define
      
       foo_h__

 


      
        extern
      
      
        void
      
       foo(
      
        void
      
      
        );

 


      
      
        #endif
      
      
        //
      
      
         foo_h__
      
    

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foo.c:

      #include <stdio.h>

 

 


      
        void
      
       foo(
      
        void
      
      
        )

{

    puts(
      
      
        "
      
      
        Hello, I'm a shared library
      
      
        "
      
      
        );

}
      
    

?

main.c:

      #include <stdio.h>
      
        

#include 
      
      
        "
      
      
        foo.h
      
      
        "
      
      
        int
      
       main(
      
        void
      
      
        )

{

    puts(
      
      
        "
      
      
        This is a shared library test...
      
      
        "
      
      
        );

    foo();

    
      
      
        return
      
      
        0
      
      
        ;

}
      
    

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foo.h 定義了一個接口連接我們的庫，一個簡單的函數，foo()。foo.c包含了這個函數的實現，main.c是一個用到我們庫的驅動程序。

為了更好的演示本例子，所有代碼都放在/home/username/foo目錄下。

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Step 1: 編譯無約束位代碼

我們需要把我們庫的源文件編譯成無約束位代碼。無約束位代碼是存儲在主內存中的機器碼，執行的時候與絕對地址無關。

      $ 
      
        gcc
      
       -c -Wall -Werror -fpic foo.c
    

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Step 2: 從一個對象文件創建共享庫

現在讓我們將對象文件變成共享庫。我們將其命名為libfoo.so：

      
        $ gcc
      
       -shared -o libfoo.so foo.o
    

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Step 3: 連接共享庫

如你所見，一切都很簡單。我們現在有了一個共享庫。現在我們編譯我們的main.c并且將它連接到libfoo。我們將最終的運行程序命名為test。注意：-lfoo選項并不是搜尋foo.o，而是libfoo.so。GCC編譯器會假定所有的庫都是以lib開頭，以.so或.a結尾（.so是指shared object共享對象或者shared libraries共享庫，.a是指archive檔案，或者靜態連接庫）。

      $ 
      
        gcc
      
       -Wall -o test main.c -
      
        lfoo


      
      /usr/bin/
      
        ld
      
      : cannot 
      
        find
      
       -
      
        lfoo

collect2: 
      
      
        ld
      
       returned 
      
        1
      
       exit status
    

?

告訴GCC去哪找共享庫

Uh-oh!連接器不知道該去哪里找到libfoo。GCC有一個默認的搜索列表，但我們的目錄并不在那個列表當中。我們需要告訴GCC去哪里找到libfoo.so。這就要用到-L選項。在本例中，我們將使用當前目錄/home/username/foo：

      $ 
      
        gcc
      
       -L/home/username/foo -Wall -o test main.c -lfoo
    

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Step 4: 運行時使用庫

好的，沒有異常。讓我們運行一下程序：

      $ ./
      
        test

.
      
      /test: error 
      
        while
      
       loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared 
      
        object
      
      
        file
      
      : No such 
      
        file
      
       or directory
    

?

Oh no! 加載器不能找到共享庫。我們沒有將它安裝到標準位置，因此我們需要幫一幫加載器。我們有兩個選項：使用環境變量LD_LIBRARY_PATH或者rpath。讓我們先看看LD_LIBRARY_PATH：

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使用LD_LIBRARY_PATH

      $ 
      
        echo
      
       $LD_LIBRARY_PATH
    

?

目前什么都沒有。現在把我們的工作目錄添加到LD_LIBRARY_PATH中：

      $ LD_LIBRARY_PATH=/home/username/
      
        foo:$LD_LIBRARY_PATH

$ .
      
      /
      
        test

.
      
      /test: error 
      
        while
      
       loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared 
      
        object
      
      
        file
      
      : No such 
      
        file
      
       or directory
    

?

為什么還報錯？雖然我們的目錄在LD_LIBRARY_PATH，但是我們還沒有導出它。在Linux中，如果你不將修改導出到一個環境變量，這些修改是不會被子進程繼承的。加載器和我們的測試程序沒有繼承我們所做的修改，不過放心，要修復這個問題很簡單：

      $ export LD_LIBRARY_PATH=/home/username/
      
        foo:$LD_LIBRARY_PATH

$ .
      
      /
      
        test

This is a shared library test...

Hello, I
      
      
        '
      
      
        m a shared library
      
    

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很好，運行正常！LD_LIBRARY_PATH很適合做快速測試，尤其是那些你沒有管理員權限的系統。另一方面，導出LD_LIBRARY_PATH變量意味著可能會造成其他依賴LD_LIBRARY_PATH的程序出現問題，因此在做完測試后最好將LD_LIBRARY_PATH恢復成之前的樣子。

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使用rpath

現在讓我們來試試rpath，首先需要清除LD_LIBRARY_PATH，確保我們是使用rpath來搜索庫文件。Rpath，或者稱為run path，是種可以將共享庫位置嵌入程序中的方法，從而不用依賴于默認位置和環境變量。我們在連接環節使用rpath。注意“-Wl,-rpath=/home/username/foo”選項。-Wl會發送以逗號分隔的選項到連接器，因此我們通過它發送-rpath選項到連接器。（譯者按：逗號分隔符后面沒有空格，而是緊跟需要發送的選項。本例中為-rpath。一定注意"-Wl,-rpath"之間沒有空格。）

      
        $ unset LD_LIBRARY_PATH

$ 
      
      
        gcc
      
       -L/home/username/foo -Wl,-rpath=/home/username/foo -Wall -o test main.c -
      
        lfoo

$ .
      
      /
      
        test

This is a shared library test...

Hello, I
      
      
        '
      
      
        m a shared library
      
    

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非常好，奏效了。rpath方法非常棒，因為每個程序都可以單獨羅列它自己的共享庫位置，因此不同的程序不會再在錯誤的路徑上搜索LD_LIBRARY_PATH。

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rpath和LD_LIBRARY_PATH

rpath也存在一些反作用面。首先，它要求共享庫必須安裝在一個固定的位置，這樣所有的用戶才可以在同一個位置訪問到庫。這就意味著在系統配置中不夠靈活。其次，如果庫涉及NFS掛載或者其他網絡驅動，你在啟動程序時會遇到延時或者更糟的情況。

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使用ldconfig修改ld.so

如果我們想讓系統上所有用戶都可以使用我的庫時該怎么辦？對此，你需要管理員權限。緣由有二：首先，將庫放到標準位置，很可能是/usr/lib或者/usr/local/lib，這些地方普通用戶是沒有寫的權限。其次，你需要修改ld.so配置文件并緩存。以root身份做一下操作：

      $ 
      
        cp
      
       /home/username/foo/libfoo.so /usr/
      
        lib

$ 
      
      
        chmod
      
      
        0755
      
       /usr/lib/libfoo.so
    

?

現在文件在標準位置，對所有人都可讀。我們現在需要告訴加載器庫文件可用，因此讓我們更新一下緩存：

      $ ldconfig
    

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這將創建一個鏈接到我們的共享庫，并且更新緩存以便它可立即生效。讓我們再核實一下：

      $ ldconfig -p | 
      
        grep
      
      
         foo

libfoo.so (libc6) 
      
      => /usr/lib/libfoo.so
    

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現在我們的庫安裝好了，在我們開始測試它之前，我們一定要先清理一下其他東西：

以防萬一，先清理一下LD_LIBRARY_PATH：

      $ unset LD_LIBRARY_PATH
    

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重新連接我們的可執行程序。注意：我們不需要-L選項，因為我們的庫保存在默認位置，我們可以不用rpath選項：

      $ 
      
        gcc
      
       -Wall -o test main.c -lfoo
    

?

讓我們確認一下我們將使用/usr/lib中我們庫的實例，使用ldd命令：

      $ ldd test | 
      
        grep
      
      
         foo

libfoo.so 
      
      => /usr/lib/libfoo.so (
      
        0x00a42000
      
      )
    

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很好，現在運行一下程序吧：

      $ ./
      
        test

This is a shared library test...

Hello, I
      
      
        '
      
      
        m a shared library
      
    

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以上就是所有內容。我們講述了如何構建一個共享庫，如何連接，如果解決最常見的共享庫加載問題，還有各種方法的優劣性。

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附：

1. Shared Libraries（共享庫） 和 Static Libraries（靜態庫）區別

共享庫是以.so（Windows平臺為.dll，OS X平臺為.dylib）作為后綴的文件。所有和庫有關的代碼都在這一個文件中，程序在運行時引用它。使用共享庫的程序只會引用共享庫中它要用到的那段代碼。

靜態庫是以.a（Windows平臺為.lib）作為后綴的文件。所有和庫有關的代碼都在這一個文件中，靜態庫在編譯時就被直接鏈接到了程序中。使用靜態庫的程序從靜態庫拷貝它要使用的代碼到自身當中。（Windows還有一種.lib文件是用來引用.dll文件，但其實它們和第一種情況是一樣的。）

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兩種庫各有千秋。

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使用共享庫可以減少程序中重復代碼的數量，讓程序體積更小。而且讓你可以用一個功能相同的對象來替換共享對象，這樣可以在增加性能的同時不用重新編譯那些使用到該庫的程序。但是使用共享庫會小額增加函數的執行的成本，同樣還會增加運行時的加載成本，因為共享庫中的符號需要關聯到它們使用的東西上。共享庫可以在運行時加載到程序中，這是二進制插件系統最通用的一種實現機制。

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靜態庫總體上增加了程序體積，但它也意味著你無需隨時隨地都攜帶一份要用到的庫的拷貝。因為代碼在編譯時就已經被關聯在一起，因此在運行時沒有額外的消耗。

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2. GCC首先在/usr/local/lib搜索庫文件，其次在/usr/lib，然后搜索-L參數指定路徑，搜索順序和-L參數給出路徑的順序一致。

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3. 默認的GNU加載器ld.so，按以下順序搜索庫文件：

1. 首先搜索程序中DT_RPATH區域，除非還有DT_RUNPATH區域。
2. 其次搜索LD_LIBRARY_PATH。如果程序是setuid/setgid，出于安全考慮會跳過這步。
3. 搜索DT_RUNPATH區域，除非程序是setuid/setgid。
4. 搜索緩存文件/etc/ld/so/cache（停用該步請使用'-z nodeflib'加載器參數）
5. 搜索默認目錄/lib，然后/usr/lib（停用該步請使用'-z nodeflib'加載器參數）

在Linux使用GCC編譯C語言共享庫