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Linux修炼：库制作与原理（一）

news 2025/10/27 7:54:29

         Hello大家好！很高兴我们又见面啦！给生活添点passion，开始今天的编程之路！

我的博客：<但凡.

我的专栏：《编程之路》、《数据结构与算法之美》、《C++修炼之路》、《Linux修炼：终端之内 洞悉真理》、《Git 完全手册：从入门到团队协作实战》

感谢你打开这篇博客！希望这篇博客能为你带来帮助，也欢迎一起交流探讨，共同成长。

目录

1、什么是库

2、静态库

创建库的头文件（mylibrary.h）

实现库的源文件（mylibrary.cpp）

使用库的主程序（main.cpp）

编译和链接

3、动态库

4、ELF文件

       4.1、认识ELF格式

ELF头部（ELF Header）

程序头表（Program Header Table）

节头表（Section Header Table）

节（Sections）

      4.2、谈链接过程

        静态链接的过程

        关键特点

 

1、什么是库

        库就是已经写好的可以复用的代码。库是一种可执行代码的二进制形式，可以被操作系统载入到内存执行。库有两种：

静态库 .a[Linux]、.lib[windows]

动态库 .so[Linux]、.dll[windows]

2、静态库

        程序在编译链接的时候把库的代码链接到可执行文件中，程序运行的时候将不再需要静态库。

        我们首先自己写一个库来理解一下什么是库：

        我们准备三个文件，一个是创建库的头文件，一个是实现库的源文件，还有一个是使用库的主程序。

创建库的头文件（mylibrary.h）

#ifndef MYLIBRARY_H
#define MYLIBRARY_Hnamespace MyLibrary {class Calculator {public:static int add(int a, int b);static int subtract(int a, int b);};void greet(const char* name);
}#endif // MYLIBRARY_H

实现库的源文件（mylibrary.cpp）

#include "mylibrary.h"
#include <iostream>namespace MyLibrary {int Calculator::add(int a, int b) {return a + b;}int Calculator::subtract(int a, int b) {return a - b;}void greet(const char* name) {std::cout << "Hello, " << name << "!" << std::endl;}
}

使用库的主程序（main.cpp）

#include "mylibrary.h"
#include <iostream>int main() {// 使用库中的类std::cout << "5 + 3 = " << MyLibrary::Calculator::add(5, 3) << std::endl;std::cout << "5 - 3 = " << MyLibrary::Calculator::subtract(5, 3) << std::endl;// 使用库中的函数MyLibrary::greet("World");return 0;
}

编译和链接

要将上述代码编译为库并链接到主程序，可以按照以下步骤操作：

  1.  编译库文件为对象文件（注意是把库的实现文件编译成.o）：

    g++ -c mylibrary.cpp -o mylibrary.o

  2. 将对象文件打包为静态库：

    ar rcs libmylibrary.a mylibrary.o

  3. 其中，ar是创建，修改，提取，静态库文件的命令，rcs是三个命令选项，其中r是替换或添加文件到归档中，c是静默模式，不显示警告信息，s是创建或更新归档索引。我们要把目标文件mylibrary.o打包成静态库libmylibrary.a。库必须以lib开头。

  4. 编译主程序并链接库：

    g++ main.cpp -L. -lmylibrary -o myprogram

  5. -L.是指定链接器搜索库文件的路径是当前目录。链接器会在当前目录寻找libmylibrary。-lmylibrary为我们要链接的库名。-l自动补全前缀lib和后缀。-o myprogram指生成的可执行文件名为myprogram

  6. 运行程序：

    ./myprogram

         库其实就是把程序员写好的源代码，编译成.o，然后打了个包。

        此时如果我们使用ldd命令去查看myprogram的依赖库信息，会发现查不到。这是因为静态库会把自己的代码合并到目标文件，即一旦形成可执行程序，就不再依赖静态库了。

        一般官方的库都被装在了系统的默认路径下，而gcc/g++编译程序时，一般会在默认路径下查找。所以，假设我们的可执行程序中只包含了stdio.h这个头文件，那么我们不需要-L来指示库的位置，因为C标准库就在系统的默认路径中。所谓的库的安装，主要就是把库文件拷贝到系统的默认路径下。

        又因为gcc是专门编译C语言的，所以他默认就要认识libc。因此在编译的时候，我们不需要带着-lc。第三方的库都需要带-l来表示库名称。

        假设我们现在想把自己写的静态库中的头文件在include的时用<>包含起来，我们需要怎么做呢？

        第一种方法就是在执行命令时，加上-I.，表示在当前路径搜索头文件。第二种方式就是把我们的头文件也拷贝到系统的指定目录下。我们把libmylibrary移动到默认路径下，再把头文件拷贝到系统的指定目录之后，我们就可以通过执行以下命令成功编译程序：

g++ main.cpp -lmylibrary -o myprogram

        库=头文件+库文件。库的使用需要搜索找到头文件（-I）,库路径（-L），库是谁（-l）。库如果不想过多使用上面的选项，就需要把库安装到指定了系统特定路径。一般情况下，头文件拷贝到/user/include，而库文件拷贝到/lib64。

        现在我们正儿八经的用make构建制作静态库的流程：

libmyc.a:mymath.o mystdio.oar -rc $@ $^
%.o:%.cgcc -c $<.PHONY:clean
clean:rm -f *.a *.o.PHONY:output
output:mkdir mylibcmkdir -p mylibc/includemkdir -p mylibc/libcp *.h mylibc/includecp *.a mylibc/libtar czf mylibc.tgz mylibc

       

        执行make，会自动生成静态库的压缩包。

3、动态库

如果想创建动态库（共享库），可以使用以下命令：

  1. 编译为动态库：

    g++ -shared -fPIC mylibrary.cpp -o libmylibrary.so

  2. 其中，-shared指示编译器生成动态链接库（共享库），而不是可执行文件。-fPIC指生成位置无关代码，这时动态链接库必需的，确保代码可以在内存中任意位置加载。动态库的名称一般以.so为后缀。

  3. 链接动态库：

    g++ main.cpp -L. -lmylibrary -o myprogram

  4. 运行前需要设置库路径：

    export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH
./myprogram

        现在我们自动化构建动态库：

libmyc.so:mymath.o mystdio.ogcc -o $@ $^ -shared 
%.o:%.cgcc -fPIC -c $<.PHONY:clean
clean:rm -rf *.so *.o mylibc *.tgz.PHONY:output
output:mkdir mylibcmkdir -p mylibc/includemkdir -p mylibc/libcp *.h mylibc/includecp *.so mylibc/lib                                                                                                                                                                          tar czf mylibc.tgz mylibc

        使用libmyc.so时，我们需要指示库的路径，头文件的路径，以及库的名字：

gcc test.c -I mylibc/include. -L mylibc/lib/ -lmyc

        在我们配置编译器环境时，比如vs，它会自动给我们下载一堆东西，这堆东西中就有各种我们需要用的的库和头文件。

        接着我们运行程序，发现会报错，这是因为我们的动态链接要求在运行时也要能找到动态库。我们时刻需要访问动态库。而之前在编译时，我们只是告诉了编译器动态库在哪里，但是系统（中的加载器）并不知道动态库在哪。

        我们可以把动态库拷贝到lib64（即系统默认路径）中，这样系统和编译器就都能找到了。当然我们还有别的方法，我们还可以在libb64目录下，以软连接的方式进行关联。软连接的名字应当与库名称一样。其实一般情况下，我们所有的库都是放在lib64中的。

        除了这两种方式以外，还有一种方式就是通过环境变量。我们可以配置指定的环境变量，让系统找到指定的动态库。即上面第4条介绍的那种方式。这种方式是临时方式。

        除此之外，我们还可以将动态库查找路径全局有效，更改系统配置文件。在这里就不演示了，因为我们常用的是第一二种方法。

        动态库和静态库同时存在的时候，gcc/g++默认优先使用动态库。默认进行动态链接。一个可执行程序，可能会依赖多个库。如果我们只提供静态库，即使我们是动态链接，gcc也没有办法，只能对只提供静态库的库进行静态链接。

        我们在编译时可以使用--static选项，要求必须采用静态链接。这种情况下，静态库必须存在。

        大部分系统只安装了C/C++的动态库，没有安装静态库。我们可以通过以下指定手动安装静态库：

#C语言
sudo apt/yum install glibc-static
#C++
sudo apt/yum install libstdc++-static

4、ELF文件

       4.1、认识ELF格式

         在过去的一段时间里，我们接触过几种特殊的文件，包括可重定位文件（.o为后后缀），可执行文件，共享目标文件（.so为后缀），内核转储。以上这些文件都是ELF文件。

        以人类的眼光看，我们直接打开ELF文件，里面的内容都是乱码。其实这些乱码也是有固定的存储规则的。

        

ELF文件由以下部分组成：

ELF头部（ELF Header）

描述文件的基本属性，如文件类型（可执行、目标文件等）、目标架构（如x86、ARM）和程序入口地址。

程序头表（Program Header Table）

仅存在于可执行文件和共享库中，定义如何将文件加载到内存。每个条目描述一个段（如代码段、数据段）的内存布局。

节头表（Section Header Table）

包含文件中所有节（section）的描述信息，如代码节（.text）、数据节（.data）和符号表（.symtab）。目标文件通常依赖此表进行链接。

节（Sections）

存储实际内容，例如：

  • .text：可执行代码。
  • .data：已初始化的全局变量。
  • .bss：未初始化的全局变量（不占文件空间）。
  • .rodata：只读数据（如字符串常量）。

        我们可以通过readelf命令来获取ELF文件的各种信息，比如我们可以查看ELF Header中的信息：         

        ELF（Executable and Linkable Format）文件的开头是一个固定大小的头部结构（ELF Header），它描述了整个文件的基本属性和布局。以下是 ELF Header 中存储的关键信息：

  1. Magic Number

    • 前 4 字节为 0x7F、'E'、'L'、'F'，用于标识文件是否为 ELF 格式。
    • 后续字节包含 ELF 文件的类别（32/64 位）、字节序（大端/小端）和版本信息。

  2. 文件类型

    • 2 字节字段，标识文件类型，如：
      • ET_REL（可重定位文件，如 .o 文件）
      • ET_EXEC（可执行文件）
      • ET_DYN（共享库，如 .so 文件）

  3. 机器架构

    • 2 字节字段，指定目标机器的 CPU 架构，例如：
      • EM_X86_64（x86-64）
      • EM_ARM（ARM）
      • EM_RISCV（RISC-V）

  4. ELF 版本

    • 4 字节字段，通常为 EV_CURRENT（当前版本）。

  5. 程序入口地址

    • 8 字节字段（64 位）或 4 字节字段（32 位），指定可执行文件的入口点（即 _start 函数的地址）。

  6. Program Header 和 Section Header 的位置

    • e_phoff：Program Header 表在文件中的偏移量。
    • e_shoff：Section Header 表在文件中的偏移量。

  7. 标志与对齐信息

    • 处理器特定的标志（如 ABI 版本）。
    • Program Header 和 Section Header 的条目大小及数量。

我们可以通过指令来读一下节头表中的内容：

        其中包含了各个节的名称，比如text(文本)，rodate(已初始化全局数据区)等等。Section Header会记录一共有多少个节，并且记录每个节的大小、偏移量和权限等等。

        节的大小不一定是4KB，但操作系统每次读取数据都是以4KB为单位的。而且，不同的节也可能会有相同的属性。所以，我们每次IO的时候，都需要将多个属性相同的section合并，对齐4KB（对齐4KB的倍数）。合并之后的数据节叫数据段（segment）。没错，我们之前学过的什么BSS段，数据段，代码段，都是从ELF文件中加载进来的。ELF加载到内存的时候，会被OS自动合并成为多个segment,加载到内存中。而程序头表（Program Header Table）就是合并成为segment的方法表。也就是说，合并的方式在ELF文件被创建的时候就已经规定好了，就像所有命运馈赠的礼物早就被暗中标好了价格。

        Section合并的主要原因是为了减少页面碎片，提高内存使用效率。如果不进行合并， 假设页面大小为4096字节（内存块基本大小，加载，管理的基本单位），如果.text部分 为4097字节，.init部分为512字节（.init和.text属性相同），那么它们将占用3个页面，而合并后，它们只需2个页面。此外，操作系统在加载程序时，会将具有相同属性的section合并成⼀个大的 segment，这样就可以实现不同的访问权限，从而优化内存管理和权限访问。

        我们可以通过指令查看程序头表（Program Header Table）中的内容：

        合并之后就变成了八个数据段，分别对应编号01到08，最后合并成的数据段的个数是不固定的，不同文件可能不一样。

        一个ELF文件要有两种视角，一种视角是编译器视角（section），另一种是系统视角（segment）。

      4.2、谈链接过程

        链接其实就是把多个ELF文件中对应的属性相同的section合并到一起：

        当然实际上的链接要复杂的多。

        静态链接的过程

        符号解析
        链接器读取所有输入的目标文件，检查每个目标文件中的符号定义与引用。确保每个符号有且仅有一个定义，解决所有未解析的符号引用。

        地址与空间分配
        为输出文件中的代码段、数据段等分配运行时内存地址。合并所有目标文件的同类段（如.text、.data），并确定每个段在最终可执行文件中的大小和位置。

        重定位
        修改目标文件中的符号引用地址，使其指向正确的运行时地址。根据段合并后的新基址，调整代码和数据中的相对地址或绝对地址引用。

        生成可执行文件
        将重定位后的代码、数据及必要的头部信息（如ELF头、段表）写入输出文件，形成可直接加载运行的静态可执行文件。

        关键特点

  • 所有外部符号在链接时已解析并绑定。
  • 最终文件独立运行，无需运行时加载动态库。
  • 文件体积较大，因库代码被完整复制到可执行文件中。

        所以，链接过程中会涉及到对.o中外部符号进行地址重定位。

        一个ELF可执行程序，在没有加载到内存的时候，就已经有地址了！Linux系统编译形成可执行程序的时候，需要对代码和数据进行编址。当代CPU和计算机和操作系统，在对ELF编址的时候采用的做法都是平坦模式进行的，我们仍可以看作是段起始地址+偏移量的方式，只不过段起始地址是0。

        这种从全零到全F的线性编址得到的地址起始就是我们之前讲的虚拟地址。在磁盘中的可执行文件，它的地址是以逻辑地址的方式表示的，而在内存中，它是以虚拟地址的方式表示的。尽管在磁盘中是逻辑地址，在内存中是虚拟地址，但是他们都是从全0到全F的。

        当我们把可执行程序加载到内存中时，我们的程序内部就建立起了物理地址到虚拟地址的映射关系。这个映射关系被记录在页表之中。cpu可以根据存储在EIP中的程序地址入口（即ELF Header中的entry point address）去访问物理地址。需要注意的是，这个程序地址入口存储的地址是程序在内存中的虚拟地址。当cpu拿到虚拟地址之后，在根据页表得到物理地址再进行访问。当CPU需要将虚拟地址转换为物理地址时，会从CR3寄存器获取页表基址开始查找。

        CR3 寄存器为 MMU 提供了页表的起始地址。在 x86 分页机制中，虚拟地址到物理地址的转换需要多级页表（如页目录和页表）。CR3 存储的是页目录的物理地址，MMU 使用 CR3 的值作为起点，逐级查找页表项，最终完成地址转换。转换完成后，cpu和内存又通过系统总线连接起来，进行数据的传输。

        好了，今天的内容就分享到这，我们下期再见！

 

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