Linux 上模块化库的动态链接是如何工作的

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Paul Lewin。由 Opensource.com 修改。CC BY-SA 2.0

当您使用 C 编程语言编写应用程序时，您的代码通常有多个源文件。

最终，这些文件必须编译成一个可执行文件。您可以通过创建静态或动态库（后者也称为共享库）来做到这一点。这两种类型的库在创建和链接方式上有所不同。两者都有优点和缺点，具体取决于您的用例。

动态链接是最常见的方法，尤其是在 Linux 系统上。动态链接使库保持模块化，因此一个库可以在任意数量的应用程序之间共享。模块化还允许共享库独立于依赖它的应用程序进行更新。

在本文中，我将演示动态链接的工作原理。在以后的文章中，我将演示静态链接。

链接器

链接器是一个命令，它将程序的几个部分组合在一起，并重新组织它们的内存分配。

链接器的功能包括

集成程序的所有部分
确定新的内存组织，以便所有部分组合在一起
恢复地址，以便程序可以在新的内存组织下运行
解析符号引用

由于所有这些链接器功能，会创建一个名为可执行文件的可运行程序。在您可以创建动态链接的可执行文件之前，您需要一些要链接到的库和一个要编译的应用程序。准备好您最喜欢的文本编辑器，并跟随我一起操作。

创建对象文件

首先，使用以下函数签名创建头文件 mymath.h

int add(int a, int b);
int sub(int a, int b);
int mult(int a, int b);
int divi(int a, int b);

使用以下函数定义创建 add.c、sub.c、mult.c 和 divi.c。我将所有代码放在一个代码块中，因此请将其分成四个文件，如注释所示

// add.c
int add(int a, int b){
return (a+b);
}

//sub.c
int sub(int a, int b){
return (a-b);
}

//mult.c
int mult(int a, int b){
return (a*b);
}

//divi.c
int divi(int a, int b){
return (a/b);
}

现在使用 GCC 生成对象文件 add.o、sub.o、mult.o 和 divi.o

$ gcc -c add.c sub.c mult.c divi.c

-c 选项跳过链接步骤，仅创建对象文件。

编程和开发

创建共享对象文件

动态库在最终可执行文件的执行期间被链接。只有动态库的名称被放置在最终的可执行文件中。实际的链接发生在运行时，此时可执行文件和库都被放置在主内存中。

除了可共享之外，动态库的另一个优点是它可以减小最终可执行文件的大小。应用程序在使用库时，只包含库的名称，而不是库的冗余副本，最终的可执行文件就会被创建。

您可以从现有的示例代码创建动态库

$ gcc -Wall -fPIC -c add.c sub.c mult.c divi.c

选项 -fPIC 告诉 GCC 生成位置无关代码 (PIC)。 -Wall 选项不是必需的，并且与代码的编译方式无关。尽管如此，它仍然是一个有价值的选项，因为它启用了编译器警告，这在排除故障时非常有用。

使用 GCC 创建共享库 libmymath.so

$ gcc -shared -o libmymath.so \
add.o sub.o mult.o divi.o

您现在已经创建了一个简单的示例数学库 libmymath.so，您可以在 C 代码中使用它。当然，有很多非常复杂的 C 库，这是它们的开发人员用来生成您或我安装以在 C 代码中使用的最终产品的过程。

接下来，您可以在一些自定义代码中使用您的新数学库，然后链接它。

创建动态链接的可执行文件

假设您编写了一个用于数学的命令。创建一个名为 mathDemo.c 的文件并将此代码粘贴到其中

#include <mymath.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
  int x, y;
  printf("Enter two numbers\n");
  scanf("%d%d",&x,&y);
 
  printf("\n%d + %d = %d", x, y, add(x, y));
  printf("\n%d - %d = %d", x, y, sub(x, y));
  printf("\n%d * %d = %d", x, y, mult(x, y));

  if(y==0){
    printf("\nDenominator is zero so can't perform division\n");
      exit(0);
  }else{
      printf("\n%d / %d = %d\n", x, y, divi(x, y));
      return 0;
  }
}

请注意，第一行是一个 include 语句，按名称引用您自己的 libmymath 库。要使用共享库，您必须安装它。如果您不安装您使用的库，那么当您的可执行文件运行时并搜索包含的库时，它将无法找到它。如果您需要在不将库安装到已知目录的情况下编译代码，则有覆盖默认设置的方法。但是，对于一般用途，期望库存在于已知位置，所以这就是我在这里演示的内容。

将文件 libmymath.so 复制到标准系统目录，例如 /usr/lib64，然后运行 ldconfig。 ldconfig 命令会创建所需的链接和缓存，指向在标准库目录中找到的最新共享库。

$ sudo cp libmymath.so /usr/lib64/
$ sudo ldconfig

编译应用程序

从您的应用程序源代码 (mathDemo.c) 创建一个名为 mathDemo.o 的对象文件

$ gcc -I . -c mathDemo.c

-I 选项告诉 GCC 在它后面列出的目录（在本例中为 mymath.h）中搜索头文件。在本例中，您指定当前目录，用一个点 (.) 表示。创建一个可执行文件，使用 -l 选项按名称引用您的共享数学库

$ gcc -o mathDynamic mathDemo.o -lmymath

GCC 找到 libmymath.so 是因为它存在于默认系统库目录中。使用 ldd 验证使用的共享库

$ ldd mathDemo
    linux-vdso.so.1 (0x00007fffe6a30000)
    libmymath.so => /usr/lib64/libmymath.so (0x00007fe4d4d33000)
    libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fe4d4b29000)
    /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fe4d4d4e000)

查看 mathDemo 可执行文件的大小

$ du ./mathDynamic
24   ./mathDynamic

当然，这是一个小型应用程序，它占用的磁盘空间量也反映了这一点。为了比较，相同代码的静态链接版本（您将在我的下一篇文章中看到）是 932K！

$ ./mathDynamic
Enter two numbers
25
5

25 + 5 = 30
25 - 5 = 20
25 * 5 = 125
25 / 5 = 5

您可以使用 file 命令验证它是否是动态链接的

$ file ./mathDynamic
./mathDynamic: ELF 64-bit LSB executable, x86-64,
dynamically linked,
interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2,
with debug_info, not stripped

成功！