当前位置：首页 > news >正文

Linux——动静态库

news 来源：原创 2025/4/27 9:40:04

1. 动静态库基本原理

2. 认识动静态库

3. 动静态库的特点

3.1 静态库的优缺点

3.2 动态库的优缺点

4. 静态库的打包和使用

4.1 打包

4.2 使用

5. 动态库的打包和使用

5.1 打包

5.2 使用

6. 库的理解与加载

6.1 目标文件

6.2 ELF文件

6.3 ELF形成到加载

6.3.1 ELF形成可执行

6.3.2 ELF可执行文件加载

6.4 理解链接与加载

6.4.1 静态链接

6.4.2 ELF加载与进程地址空间

6.5 动态链接与动态库加载

6.5.1 进程如何看待动态库

6.5.2 进程间如何共享库

6.5.3 动态链接

1. 动静态库基本原理

动静态库的本质是可执行程序的“半成品”。

我们先来介绍可执行程序形成的过程：

step1：预处理

完成头文件展开、去注释、宏替换、条件编译等，最终形成xxx.i文件。

step2：编译

完成词法分析、语法分析、语义分析、符号汇总等，检查无误后将代码翻译成汇编指令，最终形成xxx.s文件。

step3：汇编

将汇编指令转换成二进制指令，最终形成xxx.o文件。

step4：链接

将生成的各个xxx.o文件进行链接，最终形成可执行程序。

上面四个过程，大家可以按照ISO的顺序理解记忆。

例如，用test1.c、test2.c、test3.c、test4.c以及main1.c形成可执行文件，我们需要先得到各个文件的目标文件test1.o、test2.o、test3.o、test4.o以及main1.o，然后再将这写目标文件链接起来，最终形成一个可执行程序。

如果我们在另一个项目当中也需要用到test1.c、test2.c、test3.c、test4.c和项目的main2.c或者main3.c分别形成可执行程序，那么可执行程序生成的步骤也是一样的。

这里大家会发现，我们做了重复的工作，频繁对源文件进行操作，那有没有什么方法可以简化我们的操作呢？这里就要引入“库”的概念了。

这里的test1.c、test2.c、test3.c、test4.c，我们可以将它们的目标文件test1.o、test2.o、test3.o、test4.o进行打包，之后需要用到这四个目标文件时就可以之间链接这个包当中的目标文件了，而这个包实际上就可以称之为一个库。

实际上，所有库本质都是一堆目标文件(xxx.o)的集合，库的文件当中并不包含主函数而只是包含了大量的方法以供调用，所以说动静态库本质是可执行程序的“半成品”。

2. 认识动静态库

这里写了一段很简单的代码，足够让大家认识动静态库。

在这份代码当中我们可以通过调用printf输出Hello Linux，主要原因是gcc编译器在生成可执行程序时，将C标准库也链接进来了。

那什么是C标准库，其实我们可以通过命令查看它；

在Linux下，我们可以通过“ldd 文件名”来查看一个可执行程序所依赖的库文件。

这其中的libc.so.6就是该可执行程序所依赖的库文件，我们通过ls命令可以发现libc.so.6实际上只是一个软链接。

实际上该软链接的源文件/lib/x86_64-linux-gnu/ld-linux-x86-64.so.2和/lib64/ld-linux-x86-64.so.2在同一个目录下，为了进一步了解，我们可以通过“file 文件名”命令来查看/lib/x86_64-linux-gnu/ld-linux-x86-64.so.2的文件类型。

我们可以看到/lib/x86_64-linux-gnu/ld-linux-x86-64.so.2是一个共享目标文件库（动态库又叫作共享库），后面我们可以看到它是动态链接形成的动态库，当我们去掉一个动静态库的前缀lib，再去掉后缀.so或者.a及其后面的版本号，剩下的就是这个库的名字。

在Linux当中，以.so为后缀的是动态库，以.a为后缀的是静态库。
在Windows当中，以.dll为后缀的是动态库，以.lib为后缀的是静态库。

而gcc/g++编译器默认都是动态链接的，若想进行静态链接，可以携带一个-static选项。

cp@hcss-ecs-348a:~/test1$ gcc -o mytest-s mytest.c -static

此时生成的可执行程序就是静态链接的了，可以明显发现静态链接生成的可执行程序的文件大小，比动态链接生成的可执行程序的文件大小要大得多。

静态链接生成的可执行程序并不依赖其他库文件，此时当我们使用ldd 文件名命令查看该可执行程序所依赖的库文件时就会看到以下信息。

此外，当我们分别查看动静态链接生成的可执行程序的文件类型时，也可以看到它们分别是动态链接和静态链接的。

3. 动静态库的特点

3.1 静态库的优缺点

静态库是程序在编译链接的时候把库的代码复制到可执行文件当中的，生成的可执行程序在运行的时候将不再需要静态库，因此使用静态库生成的可执行程序的大小一般比较大。

优点：

使用静态库生成可执行程序后，该可执行程序就可以独自运行，不再需要库了。

缺点：

使用静态库生成可执行程序会占用大量空间，特别是当有多个静态程序同时加载而这些静态程序使用的都是相同的库，这时在内存当中就会存在大量的重复代码。

3.2 动态库的优缺点

动态库是程序在运行的时候才去链接相应的动态库代码的，多个程序共享使用库的代码。一个与动态库链接的可执行文件仅仅包含它用到的函数入口地址的一个表，而不是外部函数所在目标文件的整个机器码。

在可执行文件开始运行前，外部函数的机器码由操作系统从磁盘上的该动态库中复制到内存中，这个过程称为动态链接。

动态库在多个程序间共享，节省了磁盘空间，操作系统采用虚拟内存机制允许物理内存中的一份动态库被要用到该库的所有进程共用，节省了内存和磁盘空间。

优点：

节省磁盘空间，且多个用到相同动态库的程序同时运行时，库文件会通过进程地址空间进行共享，内存当中不会存在重复代码。
减少页面交换。

缺点：

必须依赖动态库，否则无法运行。
运行加载速度相较静态库慢一些。

4. 静态库的打包和使用

4.1 打包

这里我们先来创建几个头文件和源文件。

add.h

#pragma once
extern int add(int x,int y);

add.c

#include"add.h"
int add(int x,int y)
{return x+y;
}

mul.h

#pragma once
extern int mul(int x,int y);

mul.c

#include"mul.h"
int mul(int x,int y)
{return x*y;
}

下面我们来进行打包：

第一步：让所有源文件生成对应的目标文件

第二步：使用ar命令将所有目标文件打包为静态库

ar命令是gnu的归档工具，常用于将目标文件打包为静态库，下面我们使用ar命令的-r选项和-c选项进行打包。

此外，我们可以用ar命令的-t选项和-v选项查看静态库当中的文件。

第三步：将头文件和生成的静态库组织起来

当我们把自己的库给别人用的时候，实际上需要给别人两个文件夹，一个文件夹下面放的是一堆头文件的集合，另一个文件夹下面放的是所有的库文件。

因此，在这里我们可以将add.h和mul.h这两个头文件放到一个名为include的目录下，将生成的静态库文件libcal.a放到一个名为lib的目录下，然后将这两个目录都放到mathlib下，此时就可以将mathlib给别人使用了。

打包完成后，我们可以通过tree命令来查看库结构。

4.2 使用

创建源文件main.c，编写下面这段简单的程序来尝试使用我们打包好的静态库。

#include<stdio.h>
#include<mul.h>
int main()
{int a=5;int b=6;int c=mul(a,b);printf("%d*%d=%d\n",a,b,c);return 0;
}

方法1：使用选项

此时使用gcc编译main.c生成可执行程序时需要携带三个选项：

-I：指定头文件搜索路径。
-L：指定库文件搜索路径。
-l：指明需要链接库文件路径下的哪一个库。

cp@hcss-ecs-348a:~/test2$ gcc main.c -I./mathlib/include -L./mathlib/lib -lcal

这里我们使用自己制作的库生成了可执行程序，并且完成了计算工作。

几点说明：

1.、因为编译器不知道你所包含的头文件add.h在哪里，所以需要指定头文件的搜索路径。
2.、因为头文件add.h当中只有mul函数的声明，并没有该函数的定义，所以还需要指定所要链接库文件的搜索路径。
3、实际中，在库文件的lib目录下可能会有大量的库文件，因此我们需要指明需要链接库文件路径下的哪一个库。库文件名去掉前缀lib，再去掉后缀.so或者.a及其后面的版本号，剩下的就是这个库的名字。
4、-I(大写i)，-L，-l(小写l)这三个选项后面可以加空格，也可以不加空格。

到这里，其实我们已经实现了静态库，但是肯定有人会想，编译一个可执行程序还带那么多选项，是不是太麻烦了，能不能简单一点？答案是OK的，大家来看第二种方法：

方法2：把头文件和库文件拷贝到系统路径下

要实现这个方法，首先大家需要知道系统路径在哪里？

所以我们只需要将我们的头文件和库文件拷贝到系统对应路径下即可。

cp@hcss-ecs-348a:~/test1$ sudo cp mathlib/include/*.h /usr/include/

cp@hcss-ecs-348a:~/test1$ sudo cp mathlib/lib/libcal.a /usr/lib/x86_64-linux-gnu

这里我们就只需要说明是哪个库就可以形成可执行程序了。

5. 动态库的打包和使用

5.1 打包

动态库的打包相对于静态库来说有一点点差别，但大致相同，我们还是利用四个文件进行打包演示：

第一步：让所有源文件生成对应的目标文件

此时用源文件生成目标文件时需要携带-fPIC选项：

第二步：使用-shared选项将所有目标文件打包为动态库

第三步：将头文件和生成的动态库组织起来

与生成静态库时一样，为了方便别人使用，在这里我们可以将add.h和sub.h这两个头文件放到一个名为include的目录下，将生成的动态库文件libcal.so放到一个名为lib的目录下，然后将这两个目录都放到mylib下，此时就可以将mylib给别人使用了。

这里的操作和上面基本一致，大家可以类比学习。

5.2 使用

与上面一样，我们创建main.c

#include<stdio.h>
#include<div.h>
int main()
{int a=10;int b=2;int c=div(a,b);printf("%d/%d=%d\n",a,b,c);return 0;
}

下面还是和静态库那里一样，我们使用选项：

我们使用-I，-L，-l这三个选项都是在编译期间告诉编译器我们使用的头文件和库文件在哪里以及是谁，但是当生成的可执行程序生成后就与编译器没有关系了，相当于我们只告诉了gcc，而没有告诉OS；此后该可执行程序运行起来后，操作系统找不到该可执行程序所依赖的动态库，我们可以使用ldd命令进行查看，如上图所示。

那为啥静态库没有这个问题呢？其实答案前面已经说过了：

静态库是程序在编译链接的时候把库的代码复制到可执行文件当中的。这也就意味着一旦形成可执行程序，它将不再依赖静态库。

那么我们应该怎么解决呢？这里介绍一个比较简单的方法：

既然系统找不到我们的库文件，那么我们直接将库文件拷贝到系统共享的库路径下，这样一来系统就能够找到对应的库文件了。

cp@hcss-ecs-348a:~/test3$ sudo cp mylib/lib/libcal.so /lib/x86_64-linux-gnu

最后再总结一些结论

1. gcc/g++默认使用动态库（动静态库同时存在时）。如果非要静态链接，就要带-static，而且必须有静态库的存在。如果只存在静态库，那么对于该库就只能静态链接了。

2. Linux中，默认安装的大部分都是动态库。

3. 库:应用程序=1:n

6. 库的理解与加载

6.1 目标文件

⽬标⽂件（.o文件）是⼀个⼆进制的文件，文件的格式是 ELF ，是对二进制代码的⼀种封装。

$ file hello.o 
hello.o: ELF 64-bit LSB relocatable, x86-64, version 1 (SYSV), not stripped
## file命令⽤于辨识⽂件类型。

tip：动静态库、可执行程序、.o文件都是ELF格式。

6.2 ELF文件

• 可重定位文件（Relocatable File）：即xxx.o文件。包含适合于与其他⽬标文件链接来创建可执行文件或者共享⽬标文件的代码和数据。

• 可执行文件（Executable File）：即可执行程序。

• 共享⽬标文件（Shared Object File）：即xxx.so⽂件。

• 内核转储(core dumps) ，存放当前进程的执行上下文，用于dump信号触发。

⼀个ELF文件由以下四部分组成：

• ELF头(ELF header) ：描述⽂件的主要特性。其位于⽂件的开始位置，它的主要⽬的是定位⽂件的其他部分。

• 程序头表(Program header table) ：列举了所有有效的段(segments)和他们的属性。表⾥记着每个段的开始的位置和位移（offset）、长度，毕竟这些段，都是紧密的放在⼆进制文件中，需要段表的描述信息，才能把他们每个段分割开。

• 节头表(Section header table) ：包含对节(sections)的描述。

• 节（Section ）：ELF⽂件中的基本组成单位，包含了特定类型的数据。ELF⽂件的各种信息和数据都存储在不同的节中，如代码节存储了可执行代码，数据节存储了全局变量和静态数据等。

6.3 ELF形成到加载

6.3.1 ELF形成可执行

• step-1：将多份 C/C++ 源代码，翻译成为⽬标 .o 文件。

• step-2：将多份 .o ⽂件section进行合并。

注意： • 实际合并是在链接时进行的，但是并不是这么简单的合并，也会涉及对库合并，此处不做过多追究。

6.3.2 ELF可执行文件加载

• ⼀个ELF会有多种不同的Section，在加载到内存的时候，也会进⾏Section合并，形成segment

• 合并原则：相同属性，⽐如：可读，可写，可执⾏，需要加载时申请空间等.

• 这样，即便是不同的Section，在加载到内存中，可能会以segment的形式，加载到⼀起

• 很显然，这个合并工作也已经在形成ELF的时候，合并⽅式已经确定了，具体合并原则被记录在了 ELF的程序头表(Program header table) 中。

# 查看可执⾏程序的section 
$ readelf -S a.out 
There are 31 section headers, starting at offset 0x19d8:
Section Headers:[Nr] Name Type Address OffsetSize EntSize Flags Link Info Align
[ 0] NULL 0000000000000000 000000000000000000000000 0000000000000000 0 0 0[ 1] .interp PROGBITS 0000000000400238 00000238000000000000001c 0000000000000000 A 0 0 1[ 2] .note.ABI-tag NOTE 0000000000400254 000002540000000000000020 0000000000000000 A 0 0 4[ 3] .note.gnu.build-i NOTE 0000000000400274 000002740000000000000024 0000000000000000 A 0 0 4[ 4] .gnu.hash GNU_HASH 0000000000400298 00000298000000000000001c 0000000000000000 A 5 0 8[ 5] .dynsym DYNSYM 00000000004002b8 000002b80000000000000048 0000000000000018 A 6 1 8[ 6] .dynstr STRTAB 0000000000400300 000003000000000000000038 0000000000000000 A 0 0 1[ 7] .gnu.version VERSYM 0000000000400338 000003380000000000000006 0000000000000002 A 5 0 2[ 8] .gnu.version_r VERNEED 0000000000400340 000003400000000000000020 0000000000000000 A 6 1 8[ 9] .rela.dyn RELA 0000000000400360 000003600000000000000018 0000000000000018 A 5 0 8[10] .rela.plt RELA 0000000000400378 000003780000000000000018 0000000000000018 AI 5 24 8[11] .init PROGBITS 0000000000400390 00000390...

# 查看section合并的segment 
$ readelf -l a.out 
Elf file type is EXEC (Executable file)
Entry point 0x4003e0
There are 9 program headers, starting at offset 64
Program Headers:Type                  Offset                   VirtAddr                   PhysAddrFileSiz MemSiz Flags AlignPHDR               0x0000000000000040     0x0000000000400040         0x00000000004000400x00000000000001f8     0x00000000000001f8                R E 8INTERP             0x0000000000000238     0x0000000000400238         0x00000000004002380x000000000000001c     0x000000000000001c                R    1[Requesting program interpreter: /lib64/ld-linux-x86-64.so.2]LOAD               0x0000000000000000     0x0000000000400000         0x00000000004000000x0000000000000744     0x0000000000000744         R E 200000LOAD               0x0000000000000e10     0x0000000000600e10         0x0000000000600e100x0000000000000218     0x0000000000000220         RW 200000DYNAMIC            0x0000000000000e28     0x0000000000600e28        0x0000000000600e280x00000000000001d0     0x00000000000001d0         RW 8NOTE               0x0000000000000254     0x0000000000400254         0x00000000004002540x0000000000000044     0x0000000000000044         R 4GNU_EH_FRAME       0x00000000000005a0     0x00000000004005a0         0x00000000004005a00x000000000000004c     0x000000000000004c         R 4GNU_STACK          0x0000000000000000     0x0000000000000000         0x00000000000000000x0000000000000000     0x0000000000000000         RW 10GNU_RELRO          0x0000000000000e10     0x0000000000600e10         0x0000000000600e100x00000000000001f0     0x00000000000001f0         R 1Section to Segment mapping:Segment Sections...00 01 .interp 02 .interp .note.ABI-tag .note.gnu.build-id .gnu.hash .dynsym .dynstr 
.gnu.version .gnu.version_r .rela.dyn .rela.plt .init .plt .plt.got .text 
.fini .rodata .eh_frame_hdr .eh_frame 03 .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got .got.plt .data .bss 04 .dynamic 05 .note.ABI-tag .note.gnu.build-id 06 .eh_frame_hdr 07 08 .init_array .fini_array .jcr .dynamic .got

为什么要将section合并成为segment？

• Section合并的主要原因是为了减少⻚⾯碎⽚，提⾼内存使⽤效率。如果不进行合并，假设页面大小为4096字节（内存块基本⼤小，加载，管理的基本单位），如果.text部分为4097字节，.init部分为512字节，那么它们将占⽤3个⻚⾯，⽽合并后，它们只需2个页面。

• 此外，操作系统在加载程序时，会将具有相同属性的section合并成⼀个大的 segment，这样就可以实现不同的访问权限，从⽽优化内存管理和权限访问控制。

• 链接视图(Linking view) -对应节头表 Section header table

◦ ⽂件结构的粒度更细，将⽂件按功能模块的差异进⾏划分，静态链接分析的时候⼀般关注的是链接视图，能够理解ELF⽂件中包含的各个部分的信息。

◦ 为了空间布局上的效率，将来在链接⽬标⽂件时，链接器会把很多节（section）合并，规整成可执⾏的段（segment）、可读写的段、只读段等。合并了后，空间利⽤率就⾼了，否则，很小的⼀段，未来物理内存也浪费太⼤（物理内存页分配⼀般都是整数倍⼀块给你，比如4k），所以，链接器趁着链接就把小块们都合并了。

• 执行视图(execution view) -对应程序头表 Program header table

◦ 告诉操作系统，如何加载可执行文件，完成进程内存的初始化。⼀个可执行程序的格式中，⼀定有 program header table 。

• 说白了就是：⼀个在链接时作用，⼀个在运行加载时作⽤。

从链接视图来看：

• 命令 readelf -S hello.o 可以帮助查看ELF⽂件的节头表。

• .text节：是保存了程序代码指令的代码节。

• .data节：保存了初始化的全局变量和局部静态变量等数据。

• .rodata节：保存了只读的数据，如⼀⾏C语⾔代码中的字符串。由于.rodata节是只读的，所以只能存在于⼀个可执行⽂件的只读段中。因此，只能是在text段（不是data段）中找到.rodata 节。

• .BSS节：为未初始化的全局变量和局部静态变量预留位置

• .symtab节 :Symbol Table符号表，就是源码⾥⾯那些函数名、变量名和代码的对应关系。

• .got.plt节（全局偏移表-过程链接表）：.got节保存了全局偏移表。.got节和.plt节⼀起提供了对导入的共享库函数的访问入口，由动态链接器在运行时进行修改。对于GOT的理解，我们后面会说。

◦ 使⽤ readelf 命令查看.so⽂件可以看到该节。

从执行视图来看：

• 告诉操作系统哪些模块可以被加载进内存。

• 加载进内存之后哪些分段是可读可写，哪些分段是只读，哪些分段是可执行的。

我们可以在 ELF头中找到文件的基本信息，以及可以看到ELF头是如何定位程序头表和节头表的。

// 查看可执⾏程序 
$ gcc *.o
$ readelf -h a.out 
ELF Header:Magic: 7f 45 4c 46 02 01 01 00 00 00 00 00 00 00 00 00 Class: ELF64Data: 2's complement, little endianVersion: 1 (current)OS/ABI: UNIX - System VABI Version: 0Type: DYN (Shared object file)Machine: Advanced Micro Devices X86-64Version: 0x1Entry point address: 0x1060Start of program headers: 64 (bytes into file)Start of section headers: 14768 (bytes into file)Flags: 0x0Size of this header: 64 (bytes)Size of program headers: 56 (bytes)Number of program headers: 13Size of section headers: 64 (bytes)Number of section headers: 31Section header string table index: 30

对于 ELF HEADER 这部分来说，我们只⽤知道其作⽤即可，它的主要目的是定位文件的其他部分。

6.4 理解链接与加载

6.4.1 静态链接

• ⽆论是自己的.o,还是静态库中的.o，本质都是把.o文件进行链接的过程。

• 所以：研究静态链接，本质就是研究.o是如何链接的。

链接其实就是将编译之后的所有⽬标⽂件连同⽤到的⼀些静态库运行时库组合，拼装成⼀个独⽴的可执行文件。其中就包括地址修正，当所有模块组合在⼀起之后，链接器会根据我们的.o⽂件或者静态库中的重定位表找到那些需要被重定位的函数全局变量，从⽽修正它们的地址。这其实就是静态链接的过程。

所以，链接过程中会涉及到对.o中外部符号进行地址重定位。

6.4.2 ELF加载与进程地址空间

这里首先来问大家两个问题：

• ⼀个ELF程序，在没有被加载到内存的时候，有没有地址呢？

• 进程mm_struct、vm_area_struct在进程刚刚创建的时候，初始化数据从哪里来的？

答案：

• ⼀个ELF程序，在没有被加载到内存的时候,本来就有地址，当代计算机工作的时候，都采⽤"平坦模式"进行⼯作。所以也要求ELF对自己的代码和数据进行统⼀编址，下⾯是 objdump -S 反汇编之后的代码。

最左侧的就是ELF的虚拟地址，其实，严格意义上应该叫做逻辑地址(起始地址+偏移量),但是我们认为起始地址是0。也就是说，其实虚拟地址在我们的程序还没有加载到内存的时候，就已经把可执行程序进行统一编址了。

• 进程mm_struct、vm_area_struct在进程刚刚创建的时候，初始化数据从哪里来的？

从ELF各个 segment来，每个segment有自己的起始地址和自己的长度，用来初始化内核结构中的[start,end]等范围数据，另外在用详细地址，填充页表.。

所以：虚拟地址机制，不光光OS要支持，编译器也要支持。

说到这里，我们需要来重新认识一下虚拟地址空间；

ELF在被编译好之后，会把自己未来程序的入口地址记录在ELF的header的Entry字段中：

大家仔细观察上面这张图，当可执行程序加载到内存之前，在磁盘上已经采用“平坦模式”进行统一编址了，在磁盘上叫“逻辑地址”，到了内存里就叫“虚拟地址”，本质上的一个东西。那么可执行程序加载到内存里，其代码和数据本身就占有了对应的物理地址，我们前面学习虚拟地址空间时说过，OS会为我们构建页表来建立虚拟地址和物理地址映射关系；与此同时，在mm_struct中的代码段会被segment中起始地址初始化，也就是确定了代码段的start和end；并且，可执行程序将其入口地址填充到CPU的EIP寄存器中，这样一来CPU就知道了可执行程序从哪里开始执行，然后通过MMU，再加上页表，找到对应程序语句的物理地址，执行语句，如果语句中还在调用其他地方的语句，那么CPU会得到相应的虚拟地址，然后继续查页表，去找到对应物理地址，所以总结来说，进入CPU的都是虚拟地址，出来的都是物理地址。