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动态库和静态库详解

news 来源：原创 2025/5/24 18:10:48

库其实就是个文件

下面是文件后缀

静态库：.a(linux) .lib(windows)

动态库：.so(linux) .dll(windows)

静态库的制作

ar -rc libmystdio.a my_stdio.o my_string.o

ar是归档工具，rc表示replace和create，ar跟tar有点像，把.o文件打包到一块，其他啥也不干

ar -tv libmystdio.a

t: 列出静态库中的⽂件，v:详细信息，查看静态库

动态库的制作

libmystdio.so:my_stdio.o my_string.o

gcc -o $@ $^ -shared

%.o:%.c

gcc -fPIC -c $<

制作动态库的目标文件必须是源文件-fPIC编译成的，pic意思是位置无关编码，pic编译和普通的编译有什么区别呢？

正常的编译如果你调用一个函数，编出来的指令是call 临时地址，那pic编译呢，call pc+临时偏移量，这个偏移量是目标函数和pc之间的相对距离。因为动态库的加载位置是共享区，起始位置不固定，所以不能用绝对地址

生成动态库的过程其实就是把pic编译的目标文件给链接起来，要加-shared选项，表示不是链接出一个可执行文件而是动态库

库的使用

库这个文件的用处，就是和其他目标文件一起链接得到可执行程序

引⼊库的名称：去掉前缀 lib ，去掉后缀 .so , .a ，如： libc.so -> c

gcc main.c -I 头⽂件路径 -L 库⽂件路径 -lmymath

先编译main.c成目标文件，再和mymath库链接，得到最后的同名可执行文件main

ELF文件

那些文件是ELF文件？

.o目标文件

.exe可执行文件

.so动态库文件

核心转储文件

ELF文件的格式

ELF头(ELF header)

程序头表 (Program header table）

节（ Section ）

节头表 (Section header table)

1. 节头表（Section Header Table）

描述目标文件（.o）中的各个节（section）（如 .text、.data、.symtab 等），供静态链接器（ld）使用
链接时，链接器会合并不同目标文件中的同名节（如将所有 .text 合并到代码段）成段。
动态库/可执行文件可以没有节头表。

2. 程序头表（Program Header Table，段头表）

描述可执行文件或动态库中的段（segment）（如代码段、数据段），供操作系统加载器（execve/ld.so）使用。
加载时，操作系统根据程序头表将段映射到内存（如 LOAD 类型的段）
动态库和可执行文件必须有程序头表（否则无法加载），可以没有节头表。

3. ELF 头

e_entry 字段：指定程序执行的起始地址（即 _start 函数的地址），加载后会将此地址赋给 PC/RIP 寄存器。

目标文件的节详解

1. 代码与数据节

节名	作用	常见属性
`.text`	存储代码（函数、指令）	`AX`（可执行、只读）
`.data`	存储已初始化的全局/静态变量	`WA`（可写、已初始化）
`.bss`	存储未初始化的全局/静态变量（实际不占文件空间）	`WA`（可写、未初始化）
`.rodata`	存储只读数据（如字符串常量、`const`变量）	`A`（只读）

链接后.text节和.rodata节会合并为代码段，.data节合并为数据段，.bss节合并为bss段

2. 符号与重定位节

节名	作用	链接阶段关键性
`.symtab`	符号表（函数、变量名及其地址/大小）	✅ 静态链接必需
`.rel.text`	`.text`节的重定位条目（修正代码中的地址引用）	✅ 必需
`.rel.data`	`.data`节的重定位条目（修正数据中的地址引用）	✅ 必需

符号表的作用：

1.记录符号定义，符号是变量还是函数，以及对应地址

2.标记未定义符号

3.辅助重定位

重定位表的作用：

目标文件中代码和数据中对符号（函数/变量）的引用地址是临时的。重定位表指导链接器如何将这些临时地址替换为最终的虚拟地址。

3. 动态链接相关节（仅当启用`-fPIC编译`时存在）

节名	作用	动态库必需
`.got`	全局偏移表（Global Offset Table）	✅ 动态库需要
`.plt`	过程链接表（Procedure Linkage Table）	✅ 动态库需要

静态链接的过程

(1) 输入文件准备

目标文件（.o）：含main的目标文件
静态库（.a）：本质是多个目标文件的打包（通过ar工具生成），例如：ar rcs libfoo.a foo.o bar.o # 将foo.o和bar.o打包为libfoo.a

(2) 链接器（ld）的工作流程

符号解析（Symbol Resolution）
- 合并所有目标文件的符号表（.symtab），检查是否存在未定义符号（标记为U）。
- 若存在未定义符号：直接报错（如undefined reference to 'printf'），链接失败。
节合并（Section Merging）
- 将同名节（如.text、.data）从不同目标文件合并为段（Segment）：
  - 所有.text → 代码段（可执行）
  - 所有.data → 数据段（可读写）
  - 所有.bss → BSS段（未初始化数据，不占文件空间）
分配虚拟地址（Address Assignment）
- 链接器为每个段分配最终的虚拟地址。例如：
  .text 0x400000 (代码段基地址) .data 0x600000 (数据段基地址)
重定位（Relocation）
- 根据重定位表（.rel.text/.rel.data）修正代码和数据中对符号的引用：
  - 修正代码中的地址：如call 0x0 → call 0x400100（函数foo的最终地址）。
  - 修正数据中的指针：如mov rax, [0x0] → mov rax, [0x600020]（变量var的地址）。
生成可执行文件
输出一个完整的ELF可执行文件（a.out），包含程序头表（描述如何加载段到内存）。

动态链接的过程

1.生成可执行文件时的链接

输入文件：
- 目标文件（main.o）
- 动态库（.so，如 libc.so）
静态链接器（ld）的操作：
1. 符号解析：检查 main.o 中的未定义符号（如 printf）是否在动态库的 .dynsym 中。
2. 生成 PLT/GOT：
  - 在可执行文件中创建 .plt 和 .got.plt 节。
  - 将对动态库函数的调用（如 call printf）改为 call printf@plt。
3. 记录依赖关系：在可执行文件的 .dynamic 段中注明依赖的动态库（如 libc.so.6）。

2. 运行时动态加载流程

(1) 加载可执行文件

操作系统：
1. 读取可执行文件的 程序头表（Program Header Table），将代码段（.text）和数据段（.data）映射到进程的虚拟地址空间。
2. 从ELF头中读程序入口，将 PC 寄存器设为 e_entry（入口地址，通常是 _start）。