GCC制作库文件

什么是库文件

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。

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 2 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 。

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。

静态链接库

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。

注：

1. 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。

2. 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）。

注：

1. 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。

2. 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。

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。

实验代码

假设有如下代码：

//test.h

#ifndef __TEST__
#define __TEST__

#include <iostream>
#include <string>

int func(std::string& str);

#endif

//test.cpp
#include "test.h"

int func(std::string& str){
    std::cout << "show something:" << std::endl;
    std::cout << str << std::endl;
    return str.size();
}

//main.cpp
#include "test.h"

int main(){
    std::string str = "你好世界！";
    std::cout << func(str) << std::endl;
    return 0;
}

GCC制作静态库

静态库文件的命名方式是：libxxx.a，库名前加“ lib ”，后缀用“ .a ”，“ xxx ”为静态库名。

• 把程序文件public.cpp编译成静态库的指令：

g++ -c -o libtest.a test.cpp

• 使用静态库的方法一，直接把调用者源代码和静态库文件名一起编译：

g++ -o main main.cpp libtest.a

• 使用静态库的方法二，采用 -L 参数指定静态库文件的目录， -l 参数指定静态库名。

g++ -o main main.cpp -L./ -ltest

命令行中，./表示当前目录，test是库名

注：

1. 如果要指定多个静态库文件的目录，用法是“-L/目录1 -L目录2 -L目录3”；
2. 链接库的文件名是libpublic.a，但链接库名是”public”，不是“libpublic.a”；
3. 如果要指定多个静态库，用法是“-l库名1 -l库名2 -l库名3”。

• 运行结果：

littleboy@littleboy-workspace:~/CC++/test$ ./main
show something:
你好世界！
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GCC制作动态库

动态库在编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行时才被载入，因此在程序运行时还需要指定动态库的目录。

动态库的命名方式与静态库类似，前缀相同，为“lib”，后缀变为“.so” “xxx”为动态库名。

把程序文件public.cpp编译成动态库的指令：

g++ -fPIC -shared -o libtest.so test.cpp

使用动态库的方法与使用静态库的方法基本相同。

g++ -o main main.cpp -L./ -ltest -Wl,-rpath=./

注：

1. 如果在动态库文件和静态库文件同时存在，优先使用动态库编译。
2. -L./只是制定了编译阶段库文件在./处找到所需库文件，运行时，需要把动态库复制到路径/lib或/usr/lib（Linux动态库的默认搜索路径是/lib和/usr/lib）。
3. 当需要自行指定运行时动态库时，有三种方法：
   • 方法一： 在配置文件/etc/ld.so.conf中指定动态库搜索路径；
   • 方法二： 通过环境变量LD_LIBRARY_PATH指定动态库搜索路径；（使用命令export LD_LIBRARY_PATH=/home/wucz/demo:.）
   • 方法三： 在编译目标代码时指定该程序的动态库搜索路径。
4. 此处在编译时使用参数 -Wl,-rpath=./ 指定运行时搜索路径为 ./。

运行main：

• 运行结果：

littleboy@littleboy-workspace:~/CC++/test$ ./main
show something:
你好世界！
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修改动态库代码

动态库代码稍作修改：

//test.cpp
#include "test.h"

int func(std::string& str){
    std::cout << "我正在使用动态库..." << std::endl;
    std::cout << str << std::endl;
    return str.size();
}

直接编译（无需编译main.cpp）：

g++ -fPIC -shared -o libtest.so test.cpp

运行main：

• 运行结果：

littleboy@littleboy-workspace:~/CC++/test$ ./main 
我正在使用动态库...
你好世界！
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从上面可以看出，动态库在编译的时候只做语法检查，并没有被编译进目标代码，当程序执行到动态库中的函数时才调用该函数库里的代码。
动态函数库并没有整合进程序，所以程序的运行环境必须提供动态库路径。
优点是，如果所使用的动态库发生更新改变，程序不需要重新编译，所以动态库升级比较方便。

• 参考文献：

1. 佚名. GCC使用静态链接库和动态链接库. C语言中文网[J/OL]. http://c.biancheng.net/view/8010.html ， 发表日期：不详 / 2021/09/07

2. 码农有道. Linux静态库与动态库. C语言技术网[J/OL]. http://www.freecplus.net/05944de09a3942a89a571d523712b548.html , 发表日期：不详 / 2021/09/07