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[C++知识库]一文总结不同操作系统下的库文件

《不同操作系统下的库文件》

为什么会有本文章?小生在实际项目开发中,很多时候都会面临着软件的发布。发布 则意味着就会有许多的文件(例如:一个使用Qt框架开发的软件可能包含Qt相关的库,第三方库,自己开发的库等等),杂七杂八,非常的多。发布平台也会不一样(可能在windows上运行,可能在linux系列的平台上运行等)。对于不同操作系统下的库文件不同,于是就总结了这篇文章。文章中内容大多参考MSVC官方网站(Windows部分)、网上写得比较好的文章。对其文章内容做了整理,再结合自己的实际开发和研究总结而成。

在实际软件开发中,软件由许多文件组成。不同操作系统下这些组成文件也不一样,本文总结在几种操作系统(Windows、linux、macOS)下软件的库文件,也包含在实际项目开发中,所使用的库。

一、Windows下的库

在操作系统下,一个库从源代码经编译套件编译构建后,会生成对应的库。这个库由:binincludelib等目录中的文件来描述。当然不同的编译构建套件所生成的库的组成有所不同。

在Windows操作系统下,主要有以下两种:

(1)*.lib

可由MSVC编译构建套件编译生成。

(2)lib*.a

可由MinGW编译套件(Gcc系的编译套件)构建生成。

在生成Windows下的可执行程序(exe)使有两种链接方式:
(1)动态链接:允许可执行模块(.dll文件或.exe文件)仅包含在运行时定位dll函数的可执行代码所需的信息。
(2)静态链接:链接器从静态链接库lib获取所有被引用的函数,并将库同代码一起放到可执行文件中。

(1-1)、lib和dll的区别

(1)lib是在我们编译的时候用到的,dll是程序运行的时候用到的。如果要完成源代码的编译,只需要lib;如果要使动态链接的程序运行起来,只需要dll,不必需要lib。

(2)如果有dll文件,那么lib一般包含一些索引信息,记录dll中函数的入口和位置,dll中是函数的具体内容;如果只有lib文件,那么这个lib文件是静态编译出来的,索引和实现都在对应文件中。使用静态编译的lib文件,在运行程序时不需要动态库了,缺点是导致应用程序本体比较大,而且失去了动态库的灵活性,在我们需要重新发布新版本时要发布新的应用程序才行。

(3)在动态链接的情况下,有两种文件:一个是lib文件,一个是dll文件。lib包含被dll导出的函数名称和位置,dll包含实际的函数和数据,应用程序使用lib文件链接到dll文件。在应用程序的可执行文件中,存放的不是被调用的函数代码,而是dll中相应函数代码的对应地址,从而节省了内存资源。dll和lib文件必须随应用程序一起发行,否则应用程序运行时会产生错误,如下图所示。

如果不想用lib文件或者没有lib文件,可以用WIN32 API函数LoadLibraryGetProcAddress进行装载。

(1-2)、如何使用已经存在的库?

应该在我们的项目中包含我们需要使用的库的头文件(.h),并指定我们所需要链接的库文件(.lib)。如果是动态链接,还需要将生成的可执行软件(exe)放到我们所使用的库的动态链接库(dll)目录下。

例如,我们在QtCreator中进行开发时,可以使用:

DESTDIR:指明链接生成的可执行文件的目录。(这个目录最好是一个包含完整的dll的目录路径)

INCLUDEPATH:指定库的头文件包含路径。

LIBS:指定在链接中,所使用的库。如果没有指定,一般会报类似如下的错误:

(1-3)、应用程序的可执行文件是如何找到dll文件的呢?

在许多软件开发工具中,例如Qt,可以指定dll文件的完整搜索路径;如果不指定路径,或者在链接可执行文件时进行了隐式链接,Windows将遵循下面的搜索顺序来定位dll:

(1)包含exe文件的目录。

(2)工程目录。

(3)Windows操作系统的系统目录。

(4)列在Path环境变量中的目录。

(1-4)查看依赖

推荐两种方式:

(1)使用dumpbinVS命令行工具查看依赖。

(2)使用Depends.exe查看程序依赖库。

二、linux下的库

在linux平台下,库主要有以下两种:

(1)lib*.so :动态库

(2)lib*.a : 静态库

在linux系统下,为了理解扩展名为.a、.so和.la的文件库的实际含义,我们首先必须了解Linux中的库的概念。简单地说,Linux是一组预编译的代码片段的集合,这些代码片段被称为函数。库非常有用,它们提供了可重用的函数、类和数据结构。Linux中的一些库示例有glibc(标准C库的GNU版本)和libc (C标准库)等。
总的来说,可以将Linux中的库分为两类:

(2-1)静态库

在编译时链接到程序中的库称为静态库。它们也被称为静态链接库,由一组例程、外部函数和变量组成。在编译时链接到一个程序之后,它被链接器、绑定器或编译器复制到目标应用程序,然后生成一个目标文件和一个独立的可执行文件。
静态库有一个扩展名.a,其中的.a代表“存档”。

静态库的缺点是:比动态库更快,因为通常使用的一组目标文件被放在一个可执行文件中。

静态库的优点是:用于构建它的代码被锁定在最终的可执行文件中,并且在不重新编译库的情况下无法修改它。

(2-2)动态库

作为独立文件存在于可执行文件之外的库被称为动态库。在编译时,程序生成库文件的一个副本。

扩展名为.so的文件代表动态库。

动态库的优点是:单个库可以被多个应用程序使用,而不需要每个应用程序都像使用静态库那样拥有自己的库副本。

动态库的缺点是:与静态库相比,库被破坏的可能性要高得多。一个非常简单情况就是:如果一个动态库文件损坏,可执行文件可能会无法启动运行。

(2-3).la 文件

扩展名为.la的文件不是库,但实际上它们是包含库描述的文本文件。它们由GNU“libtools”包生成,用于描述组成相应库的文件。

(2-4)运行时加载库文件

  • 静态加载:

由于静态库在程序编译时会被链接到目标代码中,程序运行时将不再需要该静态库。

  • 动态加载:

(1)将so文件拷贝安装到/lib或/usr/lib目录下, 并执行ldconfig命令。

(2)如果将库文件安装到非/lib或/usr/lib目录下, 那么在执行ldconfig命令前, 还要把新共享库目录加入到共享库配置文件/etc/ld.so.conf中。

(3)如果将库文件安装到非/lib或/usr/lib目录下, 并且我们不想在/etc/ld.so.conf中加路径(或者是没有权限加路径)。这时候,我们那可以export一个全局变量LD_LIBRARY_PATH,并指定完整的库路径。在运行程序的时候就会去这个目录中找共享库,可以设置多个搜索目录, 这些目录之间使用冒号分隔开。

export LD_LIBRARY_PATH=/usr/local/lib:$LD_LIBRARY_PATH

(注意)在linux系统下,有一点与Windows不同:动态库与可执行文件放在同一目录下是找不到动态库的。

ldconfig命令的作用主要是:在默认搜寻目录/lib和/usr/lib以及动态库配置文件/etc/ld.so.conf内所列的目录下,搜索出可共享的动态链接库,进而创建出动态装入程序(ld.so)所需的链接和缓存文件。

缓存文件默认为/etc/ld.so.cache,此文件保存已排好序的动态链接库名字列表,为了让动态链接库为系统所共享,需运行动态链接库的管理命令ldconfig,此执行程序存放在/sbin目录下。

ldconfig通常在系统启动时运行,当我们安装了一个新的动态链接库时,就需要手动运行这个命令。

(2-5)依赖查看

使用ldd命令查看可执行文件依赖的库文件。例如下图:

三、macOS下的库

在macOS平台下,库主要有以下三种:

(1)*dylib

在macOS系操作系统中,*dylib为动态库的存在形式。

(2)*.a

*a是静态库的存在形式。

(3)*.framework

对于*.framework文件来说,可以是静态的,也可以是动态的。

(3-1)macOS下静态库和动态库的区别

.a 文件肯定是静态库, .dylib 肯定是动态库, .framework 可能是静态库也可能是动态库。

静态库在链接时, 会被完整的链接到可执行文件中, 如果多个APP都使用了同一个静态库, 那么每个APP都会拷贝一份, 这样做,缺点就是占用很多的内存空间。

动态库不会复制,只有一份, 程序运行时会被动态加载到内存中, 且系统只会加载一次, 多个程序公用一份, 因此节约了内存空间。但是如果在项目中使用了自己定义的动态库, 苹果是不允许上架的, 在 iOS8 后 苹果开放了动态加载 .dylib 的接口, 可用于挂载 .dylib 动态库。

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