【Linux操作系统】简学深悟启示录：动静态库

1.文件系统补充

1.1 内存硬盘交互

物理内存与硬盘交互数据时，通常是以 4KB 为单位的，物理内存的每一单位叫页框，硬盘的每一单位叫页帧，但是为什么是以 4KB 为单位，多次一点点传输不好吗，省得浪费空间？

其实设计者也是考虑了很多的，硬盘每次获取数据都要磁头定位，为了提高访问的效率，因此要尽可能减少 IO 次数，再就是当你要获取一块数据时，通常该数据附近的数据后续也很大概率要调用，所以不如一次性都调用出来，即预加载机制

1.2 系统对内存的管理

通常每一个 4KB 的页框就是一个结构体 page，把这每一个 page 简化成一整个数组，对内存的管理就变成了对数组的管理，每当需要取一个页框的数据时，就对物理地址进行特定的计算获取数组下标即可访问

1.3 文件的刷新

前面我们学习知道进程地址空间会找到 struct file获取文件数据，但是实际上后续更详细的操作还有待了解

struct file 本身不存储文件名，仅仅包含少量的文件属性，它通过 f_path.dentry 成员指向对应的 struct dentry（目录项），而 dentry 中会记录文件名（d_name 成员），同时 dentry 又通过 d_inode 成员指向 struct inode。简单说，三者的关联链是：struct file → dentry（含文件名）→ struct inode，顺着这条链就能找到文件名与 inode 的对应关系，进而 struct inode 就能够获取更详细的文件属性

当通过 struct file 读写文件内容时，内核会先通过 file->f_inode->i_mapping 找到 address_space。检查页缓存中是否已有目标数据（通过 address_space 的页树查找）。
如果缓存命中，直接从内存页读取数据；如果未命中，address_space 的操作方法（a_ops->readpage）会触发从磁盘加载数据到缓存页，再返回给用户。
写操作也类似，通常先写入页缓存（标记为 “脏页”），后续由内核线程通过 address_space 的同步方法（如 a_ops->writepage）刷新到磁盘

如果把 “页缓存”(物理内存里的一块空间) 比作 “存放文件数据的仓库”，那么 struct address_space 就是 “仓库管理员”—— 它手里有 “仓库货位表”（page_tree），知道 “哪批数据（文件偏移）放在哪个货位（内存页）”；还负责 “进货”（从磁盘加载数据到仓库）、“出货”（把仓库数据写回磁盘），同时知道 “这个仓库属于哪个文件”（关联 inode）

简单来说，就记住内核从 inode 结构体查找文件属性，从文件缓冲区查找文件内容

2.动静态库

有时我们需要通过引入第三方库满足自己的开发需求，libxxx.a 叫做静态链接，libxxx.so 叫做动态链接

2.1 静态库自制

站在发布者的角度，当我们自制一个静态库时，有两种方法供他人使用，一种是直接将全部源代码发布给别人使用，另一种方法就是打包成库，库=库+.h，这个 .h 就相当于说明书，告诉别人怎么使用，这种方法能很好的保护源代码最常用

以下将实现一个加减乘除的自制静态库

mymath.h

#pragma once#include <stdio.h>extern int myerrno;int add(int x, int y);
int sub(int x, int y);
int mul(int x, int y);
int div(int x, int y);

mymath.c

#include "mymath.h"int myerrno = 0;int add(int x, int y)
{return x + y;
}int sub(int x, int y)
{return x - y;
}int mul(int x, int y)
{return x * y;
}int div(int x, int y)
{if(y == 0){myerrno = 1;return -1;}return x / y;
}

Makefile

lib=libmymath.a$(lib):mymath.oar -rc $@ $^
mymath.o:mymath.cgcc -c $^.PHONY:clean
clean:rm -f *.o *.a lib.PHONY:output
output:mkdir -p lib/includemkdir -p lib/mymathlibcp *.h lib/includecp *.a lib/mymathlib

变量 lib 依赖于 libmymath.a 静态库文件，$(lib) 表示引用该变量（即 libmymath.a），ar -rc $@ $^表示将 .o 文件全部归档打包成库，-rc 表示 replace 和 creat，打包成的库即有则覆盖无则创建，然后将所有 .c 文件编译成 .o 文件，最后等待用户一起连接即可，为什么要等待用户呢？

反正库里那么多文件都要编译，不如都编译成 .o 文件，因为太多了就打包成 libxxx.a 这样的库，等 main.c 编译成 .o 文件，再一起链接生成可执行文件

output 表示发布该静态库，将所有的 .h 和 .o 文件整理成一个静态库文件方便发布

2.2 执行静态库

现在我们站在使用者的角度来使用该静态库

main.c

#include "mymath.h"int main()
{int ret = div(10, 0);printf("10 / 0 = %d, errno: %d\n", ret, myerrno);return 0;
}

首先将库 lib 放到和 main.c 相同的路径下，gcc 编译后发现报错这是为什么呢？

这是因为当库进行链接的时候，默认在系统路径下或当前目录下查找，但是对应的库和 .h 文件都在 lib 里面，系统找不到，此时就需要指定查找

gcc main.c -I lib/include/ -L lib/mymathlib -lmymath

• -I lib/include/： 告诉编译器在 lib/include/ 目录下查找头文件 .h
• -L lib/mymathlib： 告诉链接器在 lib/mymathlib 目录下查找库文件 .a
• -lmymath： 指定要链接的静态库名称（实际对应的库文件是 libmymath.a，-l 选项后省略 lib 前缀和 .a 后缀，注意不能有空格，依赖多个库就多个 -l 指定即可）

🔥值得注意的是： 除了直接执行命令以外，还可以通过将库的路径加入系统路径，或者在系统路径下创建软连接，但是依然需要 gcc main.c -lmymath 指定静态库文件

2.3 动态库自制

myprint.h

#pragma once#include <stdio.h>void Print();

myprint.c

#include "myprint.h"void Print()
{printf("hello new world!\n");printf("hello new world!\n");printf("hello new world!\n");printf("hello new world!\n");
}

Makefile

dy-lib=libmymethod.so$(dy-lib):myprint.ogcc -shared -o $@ $^
myprint.o:myprint.cgcc -fPIC -c $^.PHONY:clean
clean:rm -rf *.o *.so mylib.PHONY:output
output:mkdir -p mylib/includemkdir -p mylib/libcp *.h mylib/includecp *.so mylib/lib

gcc -fPIC -c $^ 表示将 .c 文件编译为 .o 文件，-fPIC 是与位置无关码，简单来说就是不依赖于具体内存加载地址，而是计算相对位置的机器码，后续会详细介绍，-shared 表示生成动态库

2.4 执行动态库

现在我们站在使用者的角度来使用该动态库

gcc main.c  -I mylib/include -L mylib/lib -lmymethod

同样执行和静态库一样的编译 main.c 的命令

zzh@iv-ye51qmh4owxjd1uhrjzq:~/libraries/test$ ldd a.outlinux-vdso.so.1 (0x00007ffe01f82000)libmymethod.so => not foundlibc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f662ece1000)/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f662ef17000)

发现依旧无法执行，执行 ldd a.out 命令查看可执行文件的状态，发现系统依旧无法找到动态库，这是因为编译器知道了动态库在哪，但是加载器还不知道啊，静态库在编译的时候把源码都包含进去了所以不需要额外加载，该有的代码都在里面了，而动态库需要到共享区去执行代码，所以要用到加载器

解决加载找不到动态库的四种方法：

1. 拷贝到系统默认的库路径 /usr/lib64/
2. 在系统默认的库路径 /usr/lib64/ 下建立软连接
3. 将自己的库所在的路径，添加到系统的环境变量 LD_LIBRARY_PATH 中
4. /etc/ld.so.conf.d 建立自己的动态库路径的配置文件，然后重新 ldconfig 即可

🔥值得注意的是： 通常第一种用的最多也是最方便的，在 centos 下拷贝到系统默认路径下即可，Ubuntu/Debian 系列还需要在 /etc/ld.so.conf.d 配置 /usr/lib64 路径的 config 文件，不然系统找不到，这是因为不同系统的配置逻辑不同，centos 天生认识 /usr/lib64，但 Ubuntu/Debian 不把 /usr/lib64 当默认路径

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