【Linux】动态库与静态库的底层比较

1 前言

我们前两篇文章讲解了如何建立动静态库与如何使用动静态库。 接下来我们就来深入聊聊动静态库。

2 编译使用比较

那么 gcc编译的时候是怎么进行的：

1. gcc不加-static选项默认使用动态库，没有提供动态库就只能使用静态库
2. gcc加-static选项就使用静态库

那么-static的意义是什么呢？

• 将我们的程序进行静态链接，这就要求我们链接的任何库都要通过对应的静态库版本！！！ 一般我们的操作系统都是动态库

并且在对.o文件打包的时候：

1. 静态库使用ar -rc 文件名...
2. 动态库使用gcc -shared，前提是.o文件里进行-fPIC位置无关码的设置gcc -fPIC -c 文件名

使用的方法：

1. 静态库：
   • 安装到操作系统中，.h 文件放入/user/include中，.a文件放入/lib64/中 就可以了
   • gcc test.c -I../mylib/include/ -L ../mylib/lib -lmyc 使用命令直接表明使用的头文件路径，库文件路径和使用的库
2. 动态库：
   • 直接安装到系统中/lib64/(或者建立软连接)
   • 命令行修改环境变量
   • 修改环境变量初始化脚本文件.bashrc
   • 增添配置文件

预测一下,如果我们使用别人的库，别人应该给我们提供什么？一批头文件 + 一批库文件（.so .a）

2 如何加载

如果要谈库是如何加载的，就要想来谈一谈可执行程序是怎么运行的!

首先，可执行程序与库都是磁盘文件。在可执行程序的运行之前需要先找到对应的文件。静态库很简单，不需要考虑这么多，因为在编译期间就把静态库的内容拷贝到了可执行文件当中。就不必谈论找到静态库这一说了。动态库就不一样，需要在运行的过程中寻找与加载！

根据我们先前学习的进程相关知识，可以大致画出一个示意图：

可执行程序运行的过程会把磁盘中a.out的文件读入到内存中，并形成对应的进程PCB模块与数据模块，然后就进入执行队列中进行调度运行。但是对应的方法并没有在可执行程序中，所以动态库是怎样被调用的呢？又是什么时候被调用呢？

动态库也会写入到内存中，并通过页表映射到地址空间中的共享区。让调用的时候通过共享区来找到对应的方法实现。 其他的可执行文件相要调用动态库中的方法是，也可以通过页表来映射就可以。所以动态库只需要在内存中存在一份

有个问题：我们的可执行程序，编译成功之后，如果没有加载运行，二进制代码中有没有对应的“地址”？

接下来我们来通过程序代码来探究一下。 我们创建一个新的目录，并写一段代码：

  1 #include<stdio.h>  
  2   
  3 int sum(int top)  
  4 {  
  5   int i = 1;  
  6   int ret = 0;  
  7   for(; i <= top ; i++)  
  8   {  
  9     ret += i;  
 10   }  
 11   
 12   return ret;  
 13 }  
 14   
 15 int main()  
 16 {
 17   int top = 100;
 18   int res = sum(top);                                                                                                                                                         
 19                                                                                                               
 20   printf("result:%d\n",res);                                                                                                                  
 21                                                                                                                                               
 22   return 0 ;                                                                                                                                  
 23 }    

我们把他编译一下，之后进行反汇编objdump -S code，下面就是程序汇编代码：

其中可以看到，前面都有一列地址，所以我们的可执行程序里面默认包含着地址。我们之间看源代码不用加载运行，就可以想象着一步一步运行我们的程序！

我们介绍一下ELF格式的程序，二进制是有自己的固定格式的，elf可执行程序的头部储存这可执行程序的属性！ 可执行程序会变成无数条汇编语句，每条汇编语句都有对应的地址！那这个地址是什么地址，又是如何进行编址的呢？当前环境当中就是从000000... 到 ffffff... 的地址（虚拟地址也叫逻辑地址）来进行平坦模式的编址。这样通过0 + 偏移量 就可以调用对应汇编的语句

操作系统中还要一个加载器，可以通过地址将数据拷贝到内存中。通过ELF+加载器 可以帮我们找到这个程序的开始与结束位置！！！

进程我们知道：进程 = 内核数据结构 + 代码与数据 那现在有个问题：当我们要加载这个程序时，是先加载内核数据结构还是先加载代码与数据呢？

来我们来进行模拟一下：

1. 首先我们肯定是要形成PCB（状态 ，优先级…）
2. 然后更关键的是创建地址空间（mm_struct），里面有区域划分（code_start , code_end , global_start）,那么这些区域划分的初始值从哪里来呢？？？
3. 初始值从可执行程序来！通过可执行程序自身的头部属性信息（虚拟地址）来初始化地址空间。虚拟地址空间不是操作系统独有的 ，OS ，编译器，加载器都会存在虚拟地址
4. 此时就可以来把程序加载到内存中了

CPU中存在这样一个寄存器pc指针，用来指向当前执行指令的下一条指令的地址，pc指向哪里,CPU就执行哪里的语句！ 依次进行就可以完成代码的执行！

总结一下：

1. 进程创建阶段，初始化地址空间，让CPU知道main函数的入口地址
2. 加载 -> 每一行代码与数据就都有了物理地址，自己的虚拟地址自己也就知道了，就可以构建映射了

接下来我们就来看看动态库是如何加载的： 先来看看动态库的回报代码，发现也是使用平坦模式进行编址的!

所以同样的，与加载可执行程序类似，会把动态库读入内存中，并建立对应的页表映射，**动态库的虚拟地址在进程地址空间里是在共享区里的。**那么对应的函数方法就有了起始与终止位置

那么当代码运行的时候，指向到了库函数，这是怎么处理？

1. 首先，库的虚拟地址储存在共享区
2. 在磁盘中，动态库的编址是平坦模式的编址，其地址0x1234就像是距离0000...的一个偏移量
3. 然后在共享区里，这个偏移量是没有改变的1
4. 所以想要执行库函数，就直接到共享区通过库的起始地址 + 偏移量找到对应的函数就可以执行了。所以只有了偏移量与库的初始地址，无论库加载到哪里都可以成功寻找到该函数 -> 也就验证了位置无关码！所以形成.o文件的时候就要加上-fPIC！！！

同样其他进程也可以通过共享区的库的起始地址 + 偏移量映射，来访问内存中的函数。库函数调用，其实也是在进程的地址空间里来回跳转！！！与非库函数类似奥！

那么怎么知道一个库有没有被加载到内存中呢？

动态库是由操作系统来管理的，所以就要有对应的描述结构体！！！所以使用的时候，想要知道有没有加载，就可以通过库的名称来找到对应的描述结构体，来查看是否被加载！！！

Thanks♪(･ω･)ﾉ谢谢阅读!!!

下一篇文章见!!!