Chapter 7.3 Library

在这一节我们会讨论通过链接实现的重要技术：库。

Libraries and Static Linking

库(Libraries)，就是打包好的函数集合。任何实用的 C 程序都离不开库，无论是 I/O printf and scanf...、还是 math sqrt and log... 。

通过先前对链接的知识，库这种技术的实现离不开链接。调用库的过程就是将库函数文件与你的 C 代码文件链接在一起的过程。但怎样链接在一起值得探讨。

一种暴力的做法是，将库文件整个链接进程序当中。当我需要用到 sqrt 时，不管三七二十一直接将指数对数三角什么的全部链接进程序。这种方法毫无疑问可行，但过于低效。

另一种做法是对于每一个函数单独列成一个文件，当我需要sqrt时，我将其对应的文件加入到链接当中。这种做法显然会让库函数的引用变得相当繁琐，而且考虑到很多函数的实现有依赖关系，单个文件实现一个函数也会十分低效。

在过去十分流行的解决方案是静态库(Static Libraries)。静态库在 linux 下通常以 .a(archive files) 结尾。

将许多函数编译成可重定位目标文件，打包进入一个静态库文件中，并为他们添加索引。通过改进链接器当其在做符号解析时会到静态库中去搜寻特定的符号。当一个待解析的符号匹配了库中的符号时，仅仅将符号对应的函数以及其依赖的函数链接进程序中。

这种方法不仅提高了效率，仅仅链接了需要的部分，同时也简化了编程以及库的编写。

下图展示了一个静态库打包的过程。

libc

举一个简单的例子来帮助大家理解静态库链接的过程。

// vector.h

void addvec(int *x,int *y,int *z,int n);
void multvec(int *x,int *y,int *z,int n);


// main2.c

#include<stdio.h>
#include<vector.h>

int x[2] = {1,2};
int y[2] = {3,4};
int z[2];

int main()
{
    addvec(x,y,z,2);
    printf("z=[%d %d]\n",z[0],z[1]);
    return 0;
}

// libvector.a

void addvec(int *x,int *y,int *z,int n){...}
void multvec(int *x,int *y,int *z,int n){...}

可以看到在这个简单的程序中，我们自己定义了一个向量静态库，其中包含向量加和向量乘函数的实现。而 vector.h 文件中实际上只包含了函数的声明，然后我们在编译时刻意去包含libvector.a 才提供了函数的定义。

这是极为容易误解的一点，很容易误解为当我引用 stdio.h 这个文件时我就引用了这个库，其中包含了函数的实现，其实并不是。.h 文件中只会提供函数的声明，让你在编译时不会报错，而实际上对库的引用是在链接过程中。

那你就会问了：我在编译时也没有可以去链接 lib.c 库啊？对于这种标准库，编译器会默认去链接它们。

linking libvector.a

Dynamic Linking

在介绍静态库时我们提到，这是老式十分流行的实现方法，而现在更为流行的方法是共享库(Shared Libraries)+动态链接(Dynamic Linkng)。

为什么要用新的技术呢，静态库有什么不好吗？静态库有几个缺点：

  1. 重复：几乎每个文件都会用到 libc，每个文件中都有 printf or scanf，那么对于静态链接，每个程序中都包含了一份库的代码，重复存储。并且现在计算机同时执行上百个进程，而每个进程的代码中同样也包含重复的库，重复消耗主存。
  2. 灵活性差：如果我库函数发现了 bug ，或者有一些改进，那么如果想要让已经链接好的程序用上新的库函数，唯一的方法是重新链接。但是对于那些广为流传的库函数，包含了它的程序成千上万，让这些程序都重新链接显然是一个不可能的事。

那么现在的解决方案共享库(Shared Libraries)，linux 下通常以 .so 结尾，windows下常见后缀是 .dll。对于库我在程序加载甚至运行时在链接进程序当中。

正如其名，共享库，我的 libc 在计算机硬盘上仅有一份，对于每个包含了这个库的程序我并不会复制这个库，而是当我在运行时再将库链接进程序中。甚至对于同时执行的进程我也同样共享一个库，即在主存中也同样只包含一份库的代码。

在对程序打包时我只会部分的链接。

partially linking

当开始加载入内存时我再完全链接。

fully linking

动态库更为强大的点在于其甚至可以再运行时再链接，本文不再过多介绍。

动态库完美解决了静态库的所有缺点，节省了资源，对于库函数有改动时我重新分发库就好了，反正运行时再链接。

但极高的灵活性也必然伴随着代价，一个显而易见的代价就是由于运行时需要额外链接，无疑降低了程序启动的速度。同时在一些对稳定性与安全性要求较高的场合，动态库往往也不是一个合适的选择。

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