[Linux 教學] 用gcc 自製 Library

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前言 :

Library可分成三種，static、shared與dynamically loaded, 下面會介紹如何利用 gcc 製作 這三種 library 與引用.

Static libraries :
Static 程式庫用於靜態連結，簡單講是把一堆 object 檔用 ar (archiver) 包裝集合起來，檔名以 `.a' 結尾。優點是執行效能通常會比後兩者快，而且因為是靜態連結，所以不易發生執行時找不到 library 或版本錯置而無法執行的問題。缺點則是檔案較大，維護度較低；例如library如果發現 bug 需要更新，那麼就必須重新連結執行檔.

* 編譯
編譯方式很簡單，先例用 `-c' 編出 object 檔，再用 ar 包起來即可. 考慮代碼如下 :
____ hello.c ____

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1. #include <stdio.h>  
2. void hello(){ printf("Hello "); }  

____ world.c ____

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1. #include <stdio.h>   
2. void world(){ printf("world."); }  

____ mylib.h ____

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1. void hello();  
2. void world();  

進行編譯 :
# gcc -c hello.c world.c
# ar rcs libmylib.a hello.o world.o <產出 libmylib.a>
這樣就可以建出一個檔名為 libmylib.a 的檔。輸出的檔名其實沒有硬性規定，但如果想要配合 gcc 的 '-l' 參數來連結，一定要以 `lib' 開頭，中間是你要的library名稱，然後緊接著 `.a' 結尾。

* 使用 :
考慮代碼 main_mylib.c :

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1. #include "mylib.h"  
2. int main() {  
3.     hello();  
4.     world();  
5. }  

使用上就像與一般的 object 檔連結沒有差別 :
# gcc main_mylib.c libmylib.a <預設會產出 a.out>
也可以配合gcc 的 `-l' 參數使用 :
# gcc main_mylib.c -L. -lmylib <預設會產出 a.out>

`-Ldir' 參數用來指定要搜尋程式庫的目錄，`.' 表示搜尋現在所在的目錄。通常預設會搜 /usr/lib 或 /lib 等目錄。`-llibrary' 參數用來指定要連結的程式庫 ，'mylib' 表示要與mylib進行連結，他會搜尋library名稱前加`lib'後接`.a'的檔案來連結 :
# ./a.out
Hello world <成功執行>

Shared libraries :
Shared library 會在程式執行起始時才被自動載入。因為程式庫與執行檔是分離的，所以維護彈性較好。有兩點要注意，shared library是在程式起始時就要被載入，而不是執行中用到才載入，而且在連結階段需要有該程式庫才能進行連結。

首先有一些名詞要弄懂，soname、real name與linker name。soname 用來表示是一個特定 library 的名稱，像是 libmylib.so.1 。前面以 `lib' 開頭，接著是該 library 的名稱，然後是 `.so' ，接著是版號，用來表名他的介面；如果介面改變時，就會增加版號來維護相容度。real name 是實際放有library程式的檔案名稱，後面會再加上 minor 版號與release 版號，像是 libmylib.so.1.0.0 。

一般來說，版號的改變規則是 (印象中在 APress-Difinitive Guide to GCC 中有提到，但目前手邊沒這本書)，最尾碼的release版號用於程式內容的修正，介面完全沒有改變。中間的minor用於有新增加介面，但相舊介面沒改變，所以與舊版本相容。最前面的version版號用於原介面有移除或改變，與舊版不相容時。

linker name 是用於連結時的名稱，是不含版號的 soname ，如: libmylib.so。通常 linker name與 real name 是用 ln 指到對應的 real name ，用來提供彈性與維護性

* 編譯 :
shared library 的製作過程較複雜 :
# gcc -c -fPIC hello.c world.c

編譯時要加上 -fPIC 用來產生 position-independent code。也可以用 -fpic 參數。 (不太清楚差異，只知道 -fPIC 較通用於不同平台，但產生的code較大，而且編譯速度較慢)。
# gcc -shared -Wl,-soname,libmylib.so.1 -o libmylib.so1.0.0 hello.o world.o

-shared 表示要編譯成 shared library
-Wl 用於參遞參數給linker，因此-soname與libmylib.so.1會被傳給linker處理。
-soname 用來指名 soname 為 limylib.so.1
library 會被輸出成 libmylib.so.1.0.0 (也就是 real name) 若不指定 soname 的話，在編譯結連後的執行檔會以連時的library檔名為 soname，並載入他。否則是載入 soname 指定的 library 檔案。在編譯後再用 ln 來建立 soname 與 linker name 兩個檔案 :
# ln -s libmylib.so1.0.0 libmylib.so
# ln -s libmylib.so1.0.0 libmylib.so.1

* 使用 :
與使用 static library 同 :
# gcc main_mylib.c libmylib.so 
或用
# gcc main_mylib.c -L. -lmylib 

如果目錄下同時有 static 與 shared library 的話，會以 shared 為主, 可以使用 -static 參數可以避免使用shared連結 :
# gcc main_mylib.c -static -L. -lmylib <會花比用 shared library 久的時間>

此時可以用 ldd 看編譯出的執行檔與shared程式庫的相依性 :
client:/home/max/src # ldd ./a.out
linux-gate.so.1 => (0xffffe000)
libmylib.so => not found
libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0xb7dda000)
/lib/ld-linux.so.2 (0xb7f0a000)

輸出結果顯示出該執行檔需要 libmylib.so 這個 shared library。會顯示 not found 因為沒指定該library所在的目錄，所找不到該 library. 執行時會要求載入 libmylib.so :
# ./a.out
./a.out: error while loading shared libraries: libmylib.so: cannot open shared object file: No such file or directory

因為找不到 libmylib.so.1 所以無法執行程式. 有幾個方式可以處理 :

a. 把 libmylib.so 安裝到系統的library目錄，如/usr/lib下
b. 設定 /etc/ld.so.conf ，加入一個新的 library 搜尋目錄，並執行 ldconfig 更新快取
c. 設定 LD_LIBRARY_PATH 環境變數來搜尋 library, 這裡是以加入目前的目錄來搜尋要載作的library

# export LD_LIBRARY_PATH=.
# ./a.out
Hello world <成功執行>

Dynamically loaded libraries :
Dynamicaaly loaded libraries 才是像 windows 所用的 DLL ，在使用到時才載入，編譯連結時不需要相關的 library。動態載入庫常被用於像 plug-ins 的應用.

* 使用 :
動態載入是透過一套 dl function來處理, 請參考如下 API :

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1. #include   
2. void *dlopen(const char *filename, int flag);  
3.     //開啟載入 filename 指定的 library。  
4. void *dlsym(void *handle, const char *symbol);  
5.     //取得 symbol 指定的symbol name在library被載入的記憶體位址。  
6. int dlclose(void *handle);  
7.     //關閉dlopen開啟的handle。  
8. char *dlerror(void);  
9.     //傳回最近所發生的錯誤訊息。  

下面範例代碼示範如何使用上述 API :
____ dltest.c ____

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1. #include <stdio.h>   
2. #include <dlfcn.h>  
3. #include <stdlib.h>  
4. int main()  {  
5.     void *handle;  
6.     void (*f)();  
7.     char *error;  
8.   
9.     /* 開啟之前所撰寫的 libmylib.so 程式庫 */  
10.     handle = dlopen("./libmylib.so", RTLD_LAZY);  
11.     if( !handle ) {  
12.        fputs( dlerror(), stderr);  
13.        exit(1);  
14.     }  
15.   
16.     /* 取得 hello function 的 address */  
17.     f = dlsym(handle, "hello");  
18.     if(( error=dlerror())!=NULL) {  
19.       fputs(error, stderr);  
20.       exit(1);  
21.     }  
22.     /* 呼叫該 function */  
23.     f();  
24.     dlclose(handle);  }  

編譯時要加上 -ldl 參數來與 dl library 連結 :
# gcc dltest.c -ldl
# ./a.out
Hello <成功執行>

補充說明 :
* Creating a shared and static library with the gnu compiler [gcc]
* Program Library HOWTO 

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