Linux从外到内剥开动态库，一个简单例子看懂Linux下的动态库开发原理

本文将演示4种各自独立的得到最终二进制文件的方式。代码采用C语言。

用gcc将C语言代码生成静态库.a文件，再与编译后的 main.o 合成最终的静态链接的可执行文件，查看运行结果。
用gcc将C语言代码生成动态库，待用。
用gcc将C语言代码编译并链接动态库，生成可执行文件main，运行时依赖动态库so文件。
演示用ar如何转换静态库文件得到动态库文件。可被用于可执行文件的链接。

本文代码文件内容

首先列出所有代码文件内容，一共3个文件：drive.h，drive.c，main.c，分别为动态库libdrive.so 的头文件、函数实现文件、主入口main()文件。内容分别如下。为了简明易懂，只以最简单的功能实现。

(1) drive.h 文件内容：

//声明 加法函数的函数入参和返回值。
int dr(int a, int b);

(2) drive.c 文件内容：

#include <stdio.h>

//定义一个加法函数
int dr(int a, int b) {
    return a + b;
}

(3) main.c 文件内容

//调用动态库内的add()函数，3+5,所以打印结果应当为8
#include <stdio.h>
#include "drive.h"

int main() {
    // 调用加法函数
    int result = add(3, 5);
    printf("Sum: %d\n", result);

    return 0;
}

用gcc将C语言代码生成静态库 .a，被链接入最终可执行文件

(1) 编译 drive.c 文件为.o文件：

# gcc -c drive.c -o drive.o

gcc 的几个重要编译参数，上面用到了-c、-o等参数，下面还会用到所以再次贴上参数说明：

-c                      编译、汇编到目标代码，不进行链接。
  -o <文件>                输出到 <文件>。
  -pie                     生成动态链接的位置无关可执行文件。
  -shared                  生成一个共享库。
  -static                  告诉ld在链接的时候生成纯静态可执行文件。

(2) 使用编译drive.c得到的drive.o文件作为材料，生成 libdrive.a 静态库文件。文件名前面加lib是为了gcc链接文件时默认的约定找以lib开始的库文件：

# ar rcs libdrive.a  drive.o

(3) 链接得到最终可执行文件：

# gcc main.c  -L$PWD -ldrive -o main-static
# file main-static   

main-static: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (SYSV), dynamically linked, interpreter /lib64/ld-linux-x86-64.so.2, BuildID[sha1]=84fa8514ed5a9ef043b88d1957de83248208dac2, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped
[lph@localhost 2023-12-12]$ ldd  main-static 
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffd087f3000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007fb2cbb82000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fb2cbd79000)

当前目录下只有libdrive.a 库，没有动态库，所以不会优先链接.so库，只能链接libdrive.a库。所以我使用file 命令查看main-static的成分，我以为它就是静态文件，结果发现怎么还是动态链接的？（链接了3个动态库文件）

虽然通过-ldrive 我们确实链接了libdrive.a静态文件进入 main-static文件内部（所以以上出现的链接信息里不会显示libdrive.so 或 libdrive.a，但file的结果说得到的main-static文件仍然是dynamically linked得的，为什么会这样呢？

sudo  yum install glibc-static

Linux从外到内剥开动态库，一个简单例子看懂Linux下的动态库开发原理

新安装的libc的静态库文件的路径：

# rpm -q --list glibc-static
/usr/lib64/libBrokenLocale.a
/usr/lib64/libc.a
/usr/lib64/libm-2.37.a
/usr/lib64/libm.a
/usr/lib64/libmvec.a
/usr/lib64/libresolv.a

重新尝试实现彻底的静态链接：

[lph@localhost 2023-12-12]$ gcc -static main.c -L. -ldrive -o main-static-true

[lph@localhost 2023-12-12]$ file main-static-true 
main-static-true: ELF 64-bit LSB executable, x86-64, version 1 (GNU/Linux), statically linked, BuildID[sha1]=be4d6a0e422b3a1ae1ccf0a9b162f5e628eb47b3, for GNU/Linux 3.2.0, not stripped, too many notes (256)

[lph@localhost 2023-12-12]$ ldd  main-static-true 
        不是动态可执行文件

以上 ldd 的结果说明，main-static-true文件才是真正静态链接的。

来对比一下假的 main-static 跟真的可执行文件大小差距多大：

$ ls  -lht  main-static*
776K 12月12日 22:01 main-static-true
17K  12月12日 21:42 main-static

文件大小相差45倍。由于功能少所以这个倍数并不严谨。但大体上我们可以了解纯静态的可执行文件，确实会比dynamic linked的可执行文件大很多。不过由于现在硬盘和内存的扩大，成本降低，越来越多新编程语言默认采用纯静态编译可执行文件。以增强跨平台的运行能力。

用gcc将 drive.c 代码生成动态库文件 libdrive.so

将当前目录下的所有.o文件（目前只有drive.o一个文件）作为材料，生成最终的libdrive.so动态库文件（实际相当于将 .o文件打了个压缩包到 .a文件里，并调整了链接符号）。

gcc -shared *.o -o libdrive.so

所以我们目录下截至现在已有这些文件：

# ls -lht
总计 52K
-rwxrwxr-x 1 lph lph  16K 12月12日 16:43  libdrive.so
-rwxrwxr-x 1 lph lph  16K 12月12日 16:30  main-static-true
-rwxrwxr-x 1 lph lph  16K 12月12日 16:20  main-static
-rw-rw-r-- 1 lph lph  136 12月12日 16:18  main.c
-rw-rw-r-- 1 lph lph 1.4K 12月12日 16:17  libdrive.a
-rw-rw-r-- 1 lph lph 1.3K 12月12日 16:17  drive.o
-rw-rw-r-- 1 lph lph   91 12月12日 16:12  drive.c
-rw-rw-r-- 1 lph lph   91 12月12日 16:12  drive.h

既然是动态库，总要能被调用者直到你的暴露的借口。我们验证下这个libdrive.so动态库是否也暴露了add函数呢？

$ nm -D  libdrive.so 
00000000000010f9 T add
                 w __cxa_finalize@GLIBC_2.2.5
                 w __gmon_start__
                 w _ITM_deregisterTMCloneTable
                 w _ITM_registerTMCloneTable

从结果看，确实暴露了add 函数。至于其他4个W是什么作用，我们目前暂时不管。

用gcc将C语言 main.c 编译并链接动态库，生成可执行文件main_share，运行时是否依赖动态库so文件？

gcc main.c -L./ -ldrive  -o main_share

上面说过，当libdrive.so 不存在时，libdrive.a 存在，则gcc 根据链接-L./ -ldrive参数，在对应目录下只找libdrive.a，所以以前只能链接.a文件。现在有了.so文件，那么-L./ -ldrive会优先链接libdrive.so。让我们用ldd命令检验一下：

$  LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$PWD  ldd ./main_share
        linux-vdso.so.1 (0x00007ffccd74a000)
        libdrive.so (0x00007ff2cbb28000)
        libc.so.6 => /lib64/libc.so.6 (0x00007ff2cb933000)
        /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007ff2cbb2f000)

这里我们在命令中临时设置库文件搜索路径包含当前路径$PWD。

从结果看，我们的main_share 确实链接了动态库libdrive.so。

「完」

演示用ar如何转换静态库文件得到动态库文件。可被用于可执行文件的链接。

先清理一下现场：删掉 drive.o libdrive.so 这两个文件。

$ rm -f drive.o  libdrive.so

这里使用现有的 libdrive.a 动态库，看能否转化成 libdrive.so 文件。

(1) 之前说过.a相当于.o 文件的压缩包，那么我们可以分离出 drive.o 文件

ar -x libdrive.a

(2) 编译生成 .so 文件

gcc -shared  *.o -o libdrive.so

(3) 查看导出函数

$ nm -D libdrive.so
00000000000010f9 T add
                 w __cxa_finalize@GLIBC_2.2.5
                 w __gmon_start__
                 w _ITM_deregisterTMCloneTable
                 w _ITM_registerTMCloneTable
$

结果与上上面的nm -D libdrive.so输出一致。作为验证我们将使用这个转化出的so动态库测试对main()的链接和运行效果：

$ gcc main.c -L./ -ldrive  -o main_share_from_libdrive_a
main.c: 在函数‘main’中:
main.c:6:18: 警告：隐式声明函数‘add’ [-Wimplicit-function-declaration]
    6 |     int result = add(3, 5);
      |                  ^~~
      
$ LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:$PWD  ./main_share_from_libdrive_a
Sum: 8

警告信息不管。运行效果符合预期，打印了3+5的结果。说明静态库转成动态库也是OK可以用的（实际场景gcc还要加-fPIC参数来生成动态库，以增强动态库的通用性不依赖于固定地址，本文不深入解析 -fPIC，请读者自己查信息）。

总结一下，经过以上4个场景的演示验证，我们对Linux的动态库、静态库之间的关系，有了更深入的认知。