探究报告20170810

1、指出static library 与 shared library的区别
static library 与 shared library的共同点在于它们都是library,都是编译完成的二进制代码,可供其他程序调用。
对于static library , 当程序需要使用它时 , 编译器会将 static library 与程序结合在一起,当结合完成后,程序本身就包含了library的所有内容,故即使将static library删除也可以使用程序。
对于shared library,其与调用其的程序为动态链接关系,调用它的程序并不将库代码包含在内,而是在运行时调用。这样一来生成的程序体积就比static library要小,而如果删除shared library,程序将无法运行。

static牺牲了体积换取了更高的性能和程序的独立性,而shared牺牲了一些性能换取了体积,这两种方法没有好坏之分,只看应用场景的需求。

2、研究创建static library 与 shared library的方法
我们可以使用gcc来创建shared library,并将其与需要调用它的程序进行链接。
首先,我们编写一个test2.c,其包含一个print函数:

#include <stdio.h>
void print();
void print()
{
  printf("HW\n");
}

然后,我们编写一个test.c,其中包含一个main函数,调用print函数:

#include <stdio.h>
int main(void)
{
  print();
  return 0;
}

有了这些准备,我们可以开始把test.ctest2.c编译成二进制目标文件,并且最终连接成为可执行文件了:

gcc -c -Wall -Werror -fPIC test2.c
gcc -shared test2.o
mv a.out libprint.so
gcc -Wall test.c -lprint -L.

对于上述代码,作出详细解释:
首先,gcc -c -Wall -Werror -fPIC test2.c,其中的-c参数告诉gcc要做的是"Compile and assemble, but do not link",也就是生成没有连接库的二进制目标文件,-Wall-Werror是告诉gcc产生所有警告并且将警告作为错误来对待,这是为了让gcc以最严格的方式来检查我们的代码,最后的-fPIC是让gcc去“Generate position-independent code”
关于这个"position-independent code",引用维基百科上的一段解释:

In computing, position-independent code (PIC) or position-independent executable (PIE) is a body of machine code that, being placed somewhere in the primary memory, executes properly regardless of its absolute address.

这样的代码在shared library中十分常用,因为它们可以被复用,例如,当一个需要glibc的程序将glibc加载到内存中后,其他程序也可以使用这份数据,而不需要重新加载一次,这优化了性能,减小了内存消耗。

gcc -shared test2.o是告诉gcc去生成shared library代码,也就是我们需要的东西,mv a.out libprint.so语句将生成的shared library从a.out重命名为libprint.so

最后,我们用gcc -Wall test.c -lprint -L.编译test.c源代码,用-lprint指明需要连接的库文件是libprint.so,而-L.指明了libprint.so就在当前文件夹下

接下来我们来试着创建一个static library,依然使用我们上面编写的test.ctest2.c,由于很多gcc参数已在上文解释过,在这里不再重复解释:

gcc -c -Wall -Werror test2.c  #注意这里与上文稍有不同,去掉了-fPIC参数,因为我们要创建的是静态库,不需要position-independent code
ar rcs libprint.a test2.o #解释看下文
gcc -static test.c -L. -lprint #-static参数阻止gcc连接动态库

这里重点解释一下ar语句,这句语句在各种教你编译静态库的文章中都有出现,ar官方manual中介绍ar是用来create, modify, and extract from archives的工具,于是我便觉得非常奇怪,这个打包文件的工具为什么需要出现在这里来制作静态库?
经过查找,找到了这段话:

Unix linkers, usually invoked through the C compiler cc, can read ar files and extract object files from them

看样子这里的ar命令只是为了打包多个静态库,给编译提供方便用的,所以,我认为,我们这里只使用一个静态库,用ar命令没有必要,可以直接:
gcc -static test.c test2.o ,经过测试,这种做法确实可行

3、写一个你自己的shared library
4、写一个你自己的static library
5、调用你自己写的上述库
已在第二问回答中回答,略过

6、在探究过程这种提出一个新问题并自行研究解决
问题:
在将我们的主程序test.c与编译好的shared library链接的时候,我们用的是:gcc -Wall test.c -lprint -L.,那么,gcc是如何完成这个动作的呢?是否调用了其他的什么工具?

答案:
调用的是ld,具体的调用参数可以用gcc -v看到,如果想要用ld来手动进行链接,需要彻底了解glibc的结构,这个没有必要而且也不太现实,这里做了一点能说明问题的小实验:

gcc -static -c test2.c #生成test2.o,我们要的static library
gcc -c test.c # 生成test.o,我们接下来要把这两个文件用ld链接起来

之后,我们来试着使用一下ld

% ld test.o 
ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 00000000004000b0
test.o: In function `main':
test.c:(.text+0xa): undefined reference to `print'

可以看到,如果直接让ld链接test.o,它会提示找不到print函数,这个是我们在test2.o这个static library中提供的,而:

ld test.o test2.o 
ld: warning: cannot find entry symbol _start; defaulting to 00000000004000b0
test2.o: In function `print':
test2.c:(.text+0xc): undefined reference to `puts'

当我们让ldtest.otest2.o链接时,它又提示找不到puts函数,这个很明显是由glibc提供的函数,所以,为了用ld手动解决问题,我们还需要知道glibc的具体结构,这个是没有必要的

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