C++编程知识分享:动态库

McCarthyCheryl 发布于1年前

动态库

我们上一篇文章介绍了静态库,我们发现静态库,容易使用和理解,也达到了代码复用的目的,那为什么还需要动态库呢?

为什么还需要动态库?

为什么需要动态库,其实也是静态库的特点导致。

空间浪费是静态库的一个问题。

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另一个问题是静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。如果静态库liba.lib更新了,所以使用它的应用程序都需要重新编译、发布给用户(对于玩家来说,可能是一个很小的改动,却导致整个程序重新下载,全量更新)。

动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中,而是在程序运行是才被载入。不同的应用程序如果调用相同的库,那么在内存里只需要有一份该共享库的实例,规避了空间浪费问题。动态库在程序运行是才被载入,也解决了静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。用户只需要更新动态库即可,增量更新。

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动态库特点总结:

动态库把对一些库函数的链接载入推迟到程序运行的时期。

可以实现进程之间的资源共享。(因此动态库也称为共享库)

将一些程序升级变得简单。

甚至可以真正做到链接载入完全由程序员在程序代码中控制(显示调用)。

Window与Linux执行文件格式不同,在创建动态库的时候有一些差异。

在Windows系统下的执行文件格式是PE格式,动态库需要一个DllMain函数做出初始化的入口,通常在导出函数的声明时需要有_declspec(dllexport)关键字。

Linux下gcc编译的执行文件默认是ELF格式,不需要初始化入口,亦不需要函数做特别的声明,编写比较方便。

与创建静态库不同的是,不需要打包工具(ar、lib.exe),直接使用编译器即可创建动态库。

Linux下创建与使用动态库

linux动态库的命名规则

动态链接库的名字形式为 libxxx.so,前缀是lib,后缀名为“.so”。

针对于实际库文件,每个共享库都有个特殊的名字“soname”。在程序启动后,程序通过这个名字来告诉动态加载器该载入哪个共享库。

在文件系统中,soname仅是一个链接到实际动态库的链接。对于动态库而言,每个库实际上都有另一个名字给编译器来用。它是一个指向实际库镜像文件的链接文件(lib+soname+.so)。

创建动态库(.so)

编写四则运算动态库代码:

#pragma once
class DynamicMath
{
public:
        DynamicMath(void);
        ~DynamicMath(void);
 
        static double add(double a, double b);
        static double sub(double a, double b);
        static double mul(double a, double b);
        static double div(double a, double b);
        void print();
};

首先,生成目标文件,此时要加编译器选项-fpic

Shell

1g++ -fPIC -c DynamicMath.cpp

-fPIC 创建与地址无关的编译程序(pic,position independent code),是为了能够在多个应用程序间共享。

然后,生成动态库,此时要加链接器选项-shared

Shell

1g++ -shared -o libdynmath.so DynamicMath.o

-shared指定生成动态链接库。

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其实上面两个步骤可以合并为一个命令:

Shell

1g++ -fPIC -shared -o libdynmath.so DynamicMath.cpp

使用动态库

编写使用动态库的测试代码:

#include "../DynamicLibrary/DynamicMath.h"
 
#include <iostream>
using namespace std;
 
int main(int argc, char* argv[])
{
    double a = 10;
    double b = 2;
 
    cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;
    cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;
    cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;
    cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;
 
    DynamicMath dyn;
    dyn.print();
    return 0;
}

引用动态库编译成可执行文件(跟静态库方式一样):

g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath

然后运行:./a.out,发现竟然报错了!!!

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可能大家会猜测,是因为动态库跟测试程序不是一个目录,那我们验证下是否如此:

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发现还是报错!!!那么,在执行的时候是如何定位共享库文件的呢?

1) 当系统加载可执行代码时候,能够知道其所依赖的库的名字,但是还需要知道绝对路径。此时就需要系统动态载入器(dynamic linker/loader)。

2) 对于elf格式的可执行程序,是由ld-linux.so*来完成的,它先后搜索elf文件的 DT_RPATH段—环境变量LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache文件列表—/lib/,/usr/lib 目录找到库文件后将其载入内存。

如何让系统能够找到它:

如果安装在/lib或者/usr/lib下,那么ld默认能够找到,无需其他操作。

如果安装在其他目录,需要将其添加到/etc/ld.so.cache文件中,步骤如下:

1. 编辑/etc/ld.so.conf文件,加入库文件所在目录的路径

2. 运行ldconfig ,该命令会重建/etc/ld.so.cache文件

我们将创建的动态库复制到/usr/lib下面,然后运行测试程序。

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Windows下创建与使用动态库

创建动态库(.dll)

与Linux相比,在Windows系统下创建动态库要稍微麻烦一些。首先,需要一个DllMain函数做出初始化的入口(创建win32控制台程序时,勾选DLL类型会自动生成这个文件):

// dllmain.cpp : Defines the entry point for the DLL application.
#include "stdafx.h"
 
BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
                       DWORD  ul_reason_for_call,
                       LPVOID lpReserved
                     )
{
    switch (ul_reason_for_call)
    {
    case DLL_PROCESS_ATTACH:
    case DLL_THREAD_ATTACH:
    case DLL_THREAD_DETACH:
    case DLL_PROCESS_DETACH:
        break;
    }
    return TRUE;
}

通常在导出函数的声明时需要有_declspec(dllexport)关键字:

#pragma once
class DynamicMath
{
public:
    __declspec(dllexport) DynamicMath(void);
    __declspec(dllexport) ~DynamicMath(void);
 
    static __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法
    static __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//减法
    static __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法
    static __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法
 
    __declspec(dllexport) void print();
};

生成动态库需要设置工程属性,打开工程“属性面板”→”配置属性”→”常规”,配置类型选择动态库。

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Build项目即可生成动态库。

使用动态库

创建win32控制台测试程序:

#include "stdafx.h"
#include "DynamicMath.h"
 
#include <iostream>
using namespace std;
 
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
    double a = 10;
    double b = 2;
 
    cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;
    cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;
    cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;
    cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;
 
    DynamicMath dyn;
    dyn.print();
 
    system("pause");
    return 0;
}

方法一:

工程“属性面板”→“通用属性”→“框架和引用”→”添加引用”,将显示“添加引用”对话框。“项目”选项卡列出了当前解决方案中的各个项目以及可以引用的所有库。 在“项目”选项卡中,选择 DynamicLibrary。 单击“确定”。

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添加DynamicMath.h 头文件目录,必须修改包含目录路径。打开工程“属性面板”→”配置属性”→“C/C++”→” 常规”,在“附加包含目录”属性值中,键入DynamicMath.h 头文件所在目录的路径或浏览至该目录。

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编译运行OK。

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方法二:

“属性面板”→”配置属性”→“链接器”→”常规”,附加依赖库目录中输入,动态库所在目录;

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“属性面板”→”配置属性”→“链接器”→”输入”,附加依赖库中输入动态库编译出来的DynamicLibrary.lib。

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这里可能大家有个疑问,动态库怎么还有一个DynamicLibrary.lib文件?即无论是静态链接库还是动态链接库,最后都有lib文件,那么两者区别是什么呢?其实,两个是完全不一样的东西。

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StaticLibrary.lib的大小为190KB,DynamicLibrary.lib的大小为3KB,静态库对应的lib文件叫静态库,动态库对应的lib文件叫【导入库】。实际上静态库本身就包含了实际执行代码、符号表等等,而对于导入库而言,其实际的执行代码位于动态库中,导入库只包含了地址符号表等,确保程序找到对应函数的一些基本地址信息。

动态库的显式调用

上面介绍的动态库使用方法和静态库类似属于隐式调用,编译的时候指定相应的库和查找路径。其实,动态库还可以显式调用。【在C语言中】,显示调用一个动态库轻而易举!

在Linux下显式调用动态库

#include <dlfcn.h>,提供了下面几个接口:

void * dlopen( const char * pathname, int mode ):函数以指定模式打开指定的动态连接库文件,并返回一个句柄给调用进程。

void* dlsym(void* handle,const char* symbol):dlsym根据动态链接库操作句柄(pHandle)与符号(symbol),返回符号对应的地址。使用这个函数不但可以获取函数地址,也可以获取变量地址。

int dlclose (void *handle):dlclose用于关闭指定句柄的动态链接库,只有当此动态链接库的使用计数为0时,才会真正被系统卸载。

const char *dlerror(void):当动态链接库操作函数执行失败时,dlerror可以返回出错信息,返回值为NULL时表示操作函数执行成功。

在Windows下显式调用动态库

应用程序必须进行函数调用以在运行时显式加载 DLL。为显式链接到 DLL,应用程序必须:

调用 LoadLibrary(或相似的函数)以加载 DLL 和获取模块句柄。

调用 GetProcAddress,以获取指向应用程序要调用的每个导出函数的函数指针。由于应用程序是通过指针调用 DLL 的函数,编译器不生成外部引用,故无需与导入库链接。

使用完 DLL 后调用 FreeLibrary。

显式调用C++动态库注意点

对C++来说,情况稍微复杂。显式加载一个C++动态库的困难一部分是因为C++的name mangling;另一部分是因为没有提供一个合适的API来装载类,在C++中,您可能要用到库中的一个类,而这需要创建该类的一个实例,这不容易做到。

name mangling可以通过extern “C”解决。C++有个特定的关键字用来声明采用C binding的函数:extern “C” 。用 extern “C”声明的函数将使用函数名作符号名,就像C函数一样。因此,只有非成员函数才能被声明为extern “C”,并且不能被重载。尽管限制多多,extern “C”函数还是非常有用,因为它们可以象C函数一样被dlopen动态加载。冠以extern “C”限定符后,并不意味着函数中无法使用C++代码了,相反,它仍然是一个完全的C++函数,可以使用任何C++特性和各种类型的参数。

另外如何从C++动态库中获取类,附上几篇相关文章,但我并不建议这么做:

《LoadLibrary调用DLL中的Class》:http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html

《C++ dlopen mini HOWTO》:http://blog.csdn.net/denny_233/article/details/7255673

“显式”使用C++动态库中的Class是非常繁琐和危险的事情,因此能用“隐式”就不要用“显式”,能静态就不要用动态。

附件:Linux下库相关命令

g++(gcc)编译选项

-shared :指定生成动态链接库。

-static :指定生成静态链接库。

-fPIC :表示编译为位置独立的代码,用于编译共享库。目标文件需要创建成位置无关码, 念上就是在可执行程序装载它们的时候,它们可以放在可执行程序的内存里的任何地方。

-L. :表示要连接的库所在的目录。

-l:指定链接时需要的动态库。编译器查找动态连接库时有隐含的命名规则,即在给出的名字前面加上lib,后面加上.a/.so来确定库的名称。

-Wall :生成所有警告信息。

-ggdb :此选项将尽可能的生成gdb 的可以使用的调试信息。

-g :编译器在编译的时候产生调试信息。

-c :只激活预处理、编译和汇编,也就是把程序做成目标文件(.o文件) 。

-Wl,options :把参数(options)传递给链接器ld 。如果options 中间有逗号,就将options分成多个选项,然后传递给链接程序。

nm命令

有时候可能需要查看一个库中到底有哪些函数,nm命令可以打印出库中的涉及到的所有符号。库既可以是静态的也可以是动态的。nm列出的符号有很多,常见的有三种:

一种是在库中被调用,但并没有在库中定义(表明需要其他库支持),用U表示;

一种是库中定义的函数,用T表示,这是最常见的;

一种是所谓的弱态”符号,它们虽然在库中被定义,但是可能被其他库中的同名符号覆盖,用W表示。

$nm libhello.h

ldd命令

ldd命令可以查看一个可执行程序依赖的共享库,例如我们编写的四则运算动态库依赖下面这些库:

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总结

大家可以对比上一篇文章的静态库。动态库与静态库的不同点在于代码被载入的时刻不同。

静态库在程序编译时会被连接到目标代码中,程序运行时将不再需要该静态库,因此体积较大。

动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中,而是在程序运行是才被载入,因此在程序运行时还需要动态库存在,因此代码体积较小。

动态库的好处是,不同的应用程序如果调用相同的库,那么在内存里只需要有一份该共享库的实例。带来好处的同时,也会有问题!如经典的DLL Hell问题,关于如何规避动态库管理问题,可以自行查找相关资料。

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