【Linux技术】Windows与Linux系统下的库·初探

库的定义 

　　库文件是一些预先编译好的函数的集合，那些函数都是按照可再使用的原则编写的。它们通常由一组互相关联的用来完成某项常见工作的函数构成，从本质上来说库是一种可执行代码的二进制形式，可以被操作系统载入内存执行。

　　无论在Windows 平台还是Linux平台下都存在大量的库，但由于Windows 和Linux 的本质不同，因此二者的库的二进制是不兼容的。

库的分类 

• Windows 下的库有两种：静态库(.lib)和动态链接库(.dll)。
• Linux 下的库有两种：静态库(.a)和共享库(.so)。
• Linux 下的静态库的名字一般为libxxxx.a，其中xxxx 是该lib 的名称
• Linux 下的动态库的名字一般为libxxxx.so.major.minor，xxxx 是该lib 的名称，major 是主版本号，minor 是副版本号。

Windows与Linux下库的异同

　　Linux 的共享库(.so)就象Windows 的动态链接库(.dll)，它里面包含有很多程序常用的函数。为了方便程序开发和减少程序的冗余，程序当中就不用包 含每个常用函数的拷贝，只是在需要时调用共享库中常函数即可。这种方式我们称之为动态链接(Dynamically Linked)。

　　而有时我们不希望叫程序去调用共享库的函数，而是把库函数代码直接链接进程序代码中，也就是说，在程序本身拥有一份共享库中函数的副本。 这种方式我们称之为静态链接（Statically Linked）。

　　所以，简单的讲静态库和共享库(动态库)的不同点在于代码被载入的时刻不同。

　　静态库的代码在编译过程中已经被载入可执行程序，因此体积较大。

　　共享库的代码是在可执行程序运行时才载入内存的，在编译过程中仅简单的引用，因此代码体积较小。

Windows下的动态链接库(dll)与Linux下的共享库(.so)的差别

　　.dll 文件事实上和.exe 文件一样，同属 PE格式的执行文件。对于隐式的引用外部符号，需要把外部符号所在的位置写在PE 头上。PE 加载器将从PE 头上找到依赖的符号表，并加载依赖的其它.dll 文件。

　　而在Linux 上并非如此！.so 文件大多为elf 执行文件格式。当它们需要的外部符号，可以不写明这些符号所在的位置。也就是说，通常.so 文件本身并不知道它依赖的那些符号在哪些.so 里面。这些符号是由调用dlopen 的进程运行时提供的。

　　我们在Windows 下做一个.dll 文件时还需要携带一个.lib 文件；而在Linux 下一般只需要有相应的头文件就够了。对于编写新的.so，找不到的 符号可以就让它在那里，直到最终执行文件来把所有需要的符号联合到一起。windows可以存在一个.dll 对另一个.dll 的隐式依赖；而Linux 下一般不需要让.so 和.so 有隐式依赖关系。

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Windows与Linux系统的动态库差异分析

　　动态链接库技术实现和设计程序常用的技术，在 Windows 和Linux 系统中都有动态库的概念，采用动态库可以有效的减少程序大小，节省空间，提 高效率，增加程序的可扩展性，便于模块化管理。但不同操作系统的动态库由于格式 不同，在需要不同操作系统调用时需要进行动态库程序移植。

1. 引言

　　动态库（Dynamic Link Library abbr，DLL）技术是程序设计中经常采用的技术。其目的减少程序的大小，节省空间，提高效率，具有很高的灵活性。采用动态库技术对于升级软件版本更加 容易。与静态库（Static Link Library）不同，动态库里面的函数不是执行程序本身的一部分，而是根据执行需要按需载入，其执行代码可以同时在多个程序中共享。

　　在Windows 和Linux 操作系统中，都可采用这种方式进行软件设计，但他们的调用方式以及程序编制方式不尽相同。

2. Windows 动态库技术

　　动态链接库是实现Windows 应用程序共享资源、节省内存空间、提高使用效率的一个重要技术手段。常见的动态库包含外部函数和资源，也有一些 动态库只包含资源，如Windows 字体资源文件，称之为资源动态链接库。通常动态库以.dll，.drv、.fon 等作为后缀。相应的windows 静 态库通常以.lib 结尾，Windows 自己就将一些主要的系统功能以动态库模块的形式实现。

　　Windows 动态库在运行时被系统加载到进程的虚拟空间中，使用从调用进程的虚拟地址空间分配的内存，成为调用进程的一部分。DLL 也只能被 该进程的线程所访问。DLL 的句柄可以被调用进程使用；调用进程的句柄可以被DLL 使用。DLL 模块中包含各种导出函数，用于向外界提供服务。DLL 可以 有自己的数据段，但没有自己的堆栈，使用与调用它的应用程序相同的堆栈模式；一个DLL 在内存中只有一个实例；DLL 实现了代码封装性；DLL的编制与具 体的编程语言及编译器无关，可以通过 DLL 来实现混合语言编程。DLL 函数中的代码所创建的任何对象（包括变量）都归调用它的线程或进程所有。

　　根据调用方式的不同，对动态库的调用可分为静态调用方式和动态调用方式。

1. 静态调用，也称为隐式调用，由编译系统完成对DLL 的加载和应用程序结束时DLL卸载的编码（Windows 系统负责对DLL 调用次数的 计数），调用方式简单，能够满足通常的要求。通常采用的调用方式是把产生动态连接库时产生的.LIB 文件加入到应用程序的工程中，想使用DLL 中的函数 时，只须在源文件中声明一下。 LIB 文件包含了每一个DLL导出函数的符号名和可选择的标识号以及 DLL 文件名，不含有实际的代码。Lib 文件包含的信息进入到生成的应用程序中，被调用的 DLL文件会在应用程序加载时同时加载在到内存中。
2. 动态调用，即显式调用方式，是由编程者用API 函数加载和卸载DLL 来达到调用 DLL 的目的，比较复杂，但能更加有效地使用内存，是编制大型应用程序时的重要方式。

　　在Windows 系统中，与动态库调用有关的函数包括：

• LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），装载动态库。
• GetProcAddress，获取要引入的函数，将符号名或标识号转换为DLL 内部地址。
• FreeLibrary（或MFC 的AfxFreeLibrary），释放动态链接库。

　　在windows 中创建动态库也非常方便和简单。在Visual C 中，可以创建不用MFC 而直接用C 语言写的DLL 程序，也可以创建基于MFC 类库的DLL 程序。每一个DLL 必须有一个入口点，在VC中，DllMain 是一个缺省的入口函数。DllMain 负责初始化(Initialization)和结束(Termination)工作。动态库输出 函数也有两种约定，分别是基于调用约定和名字修饰约定。DLL 程序定义的函数分为内部函数和导出函数，动态库导出的函数供其它程序模块调用。

　　通常可以有下 面几种方法导出函数：

• 采用模块定义文件的EXPORT 部分指定要输入的函数或者变量。
• 使用MFC 提供的修饰符号_declspec(dllexport)。
• 以命令行方式，采用/EXPORT 命令行输出有关函数。

　　在windows 动态库中，有时需要编写模块定义文件(.DEF)，它是用于描述DLL 属性的模块语句组成的文本文件。

3. Linux 共享对象技术

　　在Linux 操作系统中，采用了很多共享对象技术（Shared Object），虽然它和Windows里的动态库相对应，但它并不称为动态库。相应的共享对象文件以.so 作为后缀。

　　Linux 系统的/lib 以及标准图形界面的/usr/X11R6/lib等目录里面，就有许多以so 结尾的共享对象。同样，在Linux下，也有静态函数库这种调用方式，相应的后缀以.a 结束。Linux 采用该共享对象技术以方便程序间共享，节省程序占有空间，增加程序的可扩展性和灵活性。Linux 还可以通过LD-PRELOAD 变量让开发人员可以使用自己的程序库中的模块来替换系统模块。

　　同Windows 系统一样，在Linux 中创建和使用动态库是比较容易的事情，在编译函数库源程序时加上-shared 选项即可，这样所生成的执行程序就是动态链接库。通常这样的程序以 so为后缀，在Linux 动态库程序设计过程中，通常流程是编写用户的接口文件，通常是.h 文件，编写实际的函数文件，以.c 或.cpp 为后缀，再编写makefile 文件。对于较小的动态库程序可以不用如此，但这样设计使程序更加合理。

　　编译生成动态连接库后，进而可以在程序中进行调用。在Linux 中，可以采用多种调用方式，同Windows 的系统目录 (..\system32等)一样，可以将动态库文件拷贝到/lib 目录或者在/lib 目录里面建立符号连接，以便所有用户使用。

　　下面看看Linux 调用动态库经常使用的函数，但在使用动态库时，源程序必须包含dlfcn.h 头文件，该文件定义调用动态链接库的函数的原型。

1. 打开动态链接库：dlopen，函数原型void *dlopen (const char *filename, int flag); dlopen 用于打开指定名字(filename)的动态链接库，并返回操作句柄。
2. 取函数执行地址：dlsym，函数原型为: void *dlsym(void *handle, char *symbol); dlsym 根据动态链接库操作句柄(handle)与符号(symbol)，返回符号对应的函数的执行代码地址。
3. 关闭动态链接库：dlclose，函数原型为: int dlclose (void *handle); dlclose 用于关闭指定句柄的动态链接库，只有当此动态链接库的使用计数为0时,才会真正被系统卸载。
4. 动态库错误函数：dlerror，函数原型为: const char *dlerror(void); 当动态链接库操作函数执行失败时，dlerror 可以返回出错信息，返回值为NULL 时表示操作函数执行成功。

　　除了采用这种方式编写和调用动态库之外，Linux 操作系统也提供了一种更为方便的动态库调用方式，也方便了其它程序调用，这种方式与 Windows 系统的隐式链接类似。其动态库命名方式为“lib*.so.*”。在这个命名方式中，第一个*表示动态链接库的库名，第二个* 通常表示该动态库的版本号，也可以没有版本号。在这种调用方式中，需要维护动态链接库的配置文件/etc/ld.so.conf 来让动态链接库为系统所使用，通常将动态链接库所在目录名追加到动态链接库配置文件中。

　　如具有 X window 窗口系统发行版该文件中都具有/usr/X11R6/lib，它指向X window 窗口系统的动态链接库所在目录。为了使动态链接库能为系统所共享，还需运行动态链接库的管理命令./sbin/ldconfig。

　　在编译所引用的动态库时，可以在 gcc采用 -l 或-L 选项或直接引用所需的动态链接库方式进行编译。在 Linux 里面，可以采用ldd 命令来检查程序依赖共享库。

4. 两种系统动态库比较分析

　　Windows 和Linux 采用动态链接库技术目的是基本一致的，但由于操作系统的不同，他们在许多方面还是不尽相同。

1. 动态库程序编写，在Windows 系统下的执行文件格式是PE 格式，动态库需要一个DllMain函数作为初始化的人口，通常在导出函数的声明时需要有_declspec(dllexport)关键字。Linux 下的gcc 编译的执行文件默认是ELF 格式，不需要初始化入口，亦不需要到函数做特别声明，编写比较方便。
2. 动态库编译，在windows 系统下面，有方便的调试编译环境，通常不用自己去编写makefile 文件，但在linux 下面，需要自己动手去编写makefile文件，因此，必须掌握一定的makefile 编写技巧，另外，通常Linux 编译规则相对严格。
3. 动态库调用方面，Windows 和Linux 对其下编制的动态库都可以采用显式调用或隐式调用，但具体的调用方式也不尽相同。
4. 动态库输出函数查看，在Windows 中，有许多工具和软件可以进行查看DLL 中所输出的函数，例如命令行方式的dumpbin 以及VC 工具中的DEPENDS 程序。在Linux 系统中通常采用nm 来查看输出函数，也可以使用ldd 查看程序隐式链接的共享对象文件。
5. 对操作系统的依赖，这两种动态库运行依赖于各自的操作系统，不能跨平台使用。因此，对于实现相同功能的动态库，必须为两种不同的操作系统提供不同的动态库版本。