Создание библиотек объектных файлов

3 Создание библиотек объектных файлов

 

3.1 Библиотеки объектных файлов

В прошлом разделе курсовой работы мы создавали объектные файлы. Естественно, если каждая функция будет содержаться в отдельном файле, то таких файлов может оказаться десятки или даже сотни. Управлять таким количеством файлов очень сложно. Для этого был придуман механизм создания библиотек объектных файлов.

 

Библиотека объектных файлов - это файл содержащий несколько объектных файлов, которые будут использоваться вместе в стадии линковки программы. Нормальная библиотека содержит символьный индекс, который состоит из названий функций и переменных и т.д., которые содержатся в библиотеке. Это позволяет ускорить процесс линковки программы, так как поиск функций и переменных в объектных файлах библиотеки происходит намного быстрее, чем поиск в наборе указанных объектных файлов. Поэтому использование библиотеки позволяет компактно хранить все требуемые объектные файлы в одном месте, и при этом значительно повысить скорость компиляции.

Объектные библиотеки по способу использования разделяются на два вида:

· Статические библиотеки

· Динамические библиотеки

Статическая библиотека - это коллекция объектных файлов, которые присоединяются к программе во время линковки программы. Таким образом статические библиотеки используются только при созданиии программы. Потом в работе самой программы они не принимают участие, в отличие от динамических библиотек.

Динамическая библиотека - это созданная специальным образом библиотека, которая присоединяется к результирующей программе в два этапа. Первый этап, это естественно этап компиляции. На этом этапе линковщик встраивает в программу описания требуемых функций и переменных, которые присутствуют в библиотеке. Сами объектные файлы из библиотеки не присоединяются к программе. Присоединение этих объектных файлов(кодов функций) осуществляет системный динамический загрузчик во время запуска программы. Загрузчик проверяет все библиотеки прилинкованные с программе на наличие требуемых объектных файлов, затем загружает их в память и присоединяет их в копии запущенной программы, находящейся в памяти.

Сложный процесс загрузки динамических библиотек замедляет запуск программы, но у него есть существунный, даже можно сказать неоценимый плюс - если другая запускаемая программа линкована с этой же загруженной динамической библиотекой, то она использует туже копию библиотеки. Это означает, что требуется гораздо меньше памяти для запуска нескольких программ, сами загрузочные файлы меньше по размеру, что экономит место на дисках.

Однако если Вы модифицируете динамическую библиотеку и попытаетесь ее использовать при запуске программы, то если загрузчик обнаружит уже загруженную старую библиотеку он будет упорно использовать ее функции. При этом Вы так и не сможете загрузить новую версию библиотеки. Но есть пути решения этой проблемы, и их мы рассмотрим позже.

3.2 Создание статической библиотеки

Для создания статических библиотек существует специальная простая программа называемая ar (сокр. от archiver - архиватор). Она используется для создания, модификации и просмотра объектных файлов в статических библиотеках, которые в действительности представляют из себя простые архивы.

Создадим из файлов f1.c и f2.c отдельную библиотеку.

// файл f1.c

int f1()

{

return 2;

}

// файл f2.c

int f2()

{

return 10;

}

Для начала компилируем эти файлы:

olya:~# gcc -c f1.c f2.c

В результате получим, как обычно, два файла - f1.o и f2.o. Для того, чтобы создать библиотеку из объектых файлов надо вызвать программу ar со следующими параметрами:

ar rc libимя_библиотеки.a [список_*.o_файлов]

Допустим наша библиотека будет называться fs, тогда команда запишется в виде:

olya:~# ar rc libfs.a f1.o f2.o

В результате получим файл libfs.a, в котором будут лежать копии объектых файлов f1.o и f2.o. Если файл библиотеки уже существует, то архиватор будет анализировать содержимое архива, он добавит новые объектные файлы и заменит старые обновленными версиями. Опция c заставляет создавать (от create) библиотеку, если ее нет, а опция r (от replace) заменяет старые объектные файлы новыми версиями.

Пока у нас есть лишь архивный файл libfs.a. Чтобы из него сделать полноценную библиотеку объектных файлов надо добавить к этому архиву индекс символов, т.е. список вложенных в библиотеку функций и переменных, чтобы линковка происходила быстрее. Далается это командой:

ranlib libимя_библиотеки.a

Программа ranlib добавит индекс к архиву и получится полноценная статическая библиотека объектных файлов. Стоит отметить, что на некоторых системах программа ar автоматически создает индекс, и использование ranlib не имеет никакого эффекта. Но тут надо быть осторожным при атоматической компиляции библиотеки с помощью файлов makefile, если не использовать утилиту ranlib, то возможно на каких-то системах библиотеки будут создаваться не верно и потеряется независимость от платформы. Так что возьмем за правило тот факт, что утилиту ranlib надо запускать в любом случае, даже если он нее нет никакого эффекта.

Для компиляции нашего основного файла main.c надо сообщить компилятору, что надо использовать библиотеки. Чтобы компилятор знал где искать библиотеки ему надо сообщить каталог, в котором они содержатся и список этих билиотек. Каталог с библиотеками указывается ключом -L, в нашем случае библиотека находится в текущем каталоге, значит путь до нее будет в виде точки (-L.). Используемые библиотеки перечисляются через ключ -l, после которого указывается название библиотеки без префикса lib и окончания .a. В нашем случае этот ключ будет выглядеть, как -lfs. Теперь все одной командой:

olya:~# gcc -c main.c

olya:~# gcc main.o -L. -lfs -o rezult

Или можно чуть короче:

olya:~# gcc main.c -L. -lfs -o rezult

Заметьте, что компилятору нужны библиотеки на этапе создания конечного файла, т.е. линковки. В первом случае процесс компиляции совершается первой командой, а сборка файла второй командой. Если же мы попытаемся подсунуть библиотеку на этапе компиляции, то получим вежливый ответ:

olya:~# gcc -c main.c -L. -lfs

gcc: -lfs: linker input file unused since linking not done

Что означает, что файлы библиотек не нужны, до процесса линковки. Данная команда создаст лишь файл main.o, который в итоге потом придется собирать отдельно.

 

3. 3 Создание динамической библиотеки

Как мы уже говорилось в курсовой работе, динамические библиотеки немного лучше статических, но их использование более сложное. И не из-за того, что процесс загрузки программы замедляется. Проблемы начинаются уже на этапе компиляции.

Для начала стоит сказать, что объектный файл создаваемый нашим проверенным способом вовсе не подходит для динамических библиотек. Связано это с тем, что все объектные файлы создаваемые обычным образом не имеют представления о том в какие адреса памяти будет загружена использующая их программа. Несколько различных программ могут использовать одну библиотеку, и каждая из них располагается в различном адресном пространстве. Поэтому требуется, чтобы переходы в функциях библиотеки (операции goto на ассемблере) использовали не абсолютную адресацию, а относительную. То есть генерируемый компилятором код должен быть независимым от адресов, такая технология получила название PIC - Position Independent Code. В компиляторе gcc данная возможность включается ключом -fPIC.

Теперь компилирование наших файлов будет иметь вид:

olya:~# gcc -fPIC -c f1.c

olya:~# gcc -fPIC -c f2.c

Динамическая библиотека это уже не архивный файл, а настоящая загружаемая программа, поэтому созданием динамических библиотек занимается сам компилятор gcc. Для того, чтобы создать динамическую библиотеку надо использовать ключ -shared:

olya:~# gcc -shared -o libfsdyn.so f1.o f2.o

В результате получим динамическую библиотеку libfsdyn.so, которая по моей задумке будет динамической версией библиотеки libfs.a, что видно из названия :) Теперь, чтобы компилировать результирующий файл с использованием динамической библиотеки нам надо собрать файл командой:

olya:~# gcc -с main.с

olya:~# gcc main.o -L. -lfsdyn -o rezultdyn

Если теперь Вы сравните файлы, полученные при использовании статической и динамической библиотеки, то увидите, что их размеры отличаются. В данном случае файл созданный с динамической библиотекой занимает чуть больше места, но это лишь от того, что программа используемая нами совершенно примитивная и львиную долю там занимает специальный код для использования динамических возможностей. В реальных условиях, когда используются очень большие функции размер программы с использованием динамической библиотеки значительно меньше.

На этом фокусы не кончаются, если Вы сейчас попробуете запустить файл rezultdyn, то получите ошибку:

olya:~# ./rezultdyn

./rezultdyn: error in loading shared libraries: libfsdyn.so: cannot open

shared object file: No such file or directory

olya:~#

Это сообщение выдает динамический линковщик. Он просто не может найти файл нашей динамической библиотеки. Дело в том, что загрузчик ищет файлы динамических библиотек в известных ему директориях, а наша директория ему не известна. Но это мы чуть отложим, потому что это достаточно сложный вопрос.

А сейчас стоит поговорить еще об одном моменте использования библиотек. Мы специально динамическую библиотеку с названием fsdyn, чтобы она отличалась от названия статической библиотеки fs. Дело в том, что если у Вас две библиотеки статическая и динамическая с одинаковыми названиями, то есть libfs.a и libfs.so, то компилятор всегда будет использовать динамическую библиотеку.

Связано это с тем, что в ключе -l задается часть имени библиотеки, а префикс lib и окончание .a или .so приставляет сам компилятор. Так вот алгоритм работы компилятора таков, что если есть динамическая библиотека, то она используется по умолчанию. Статическая же библиотека используется когда компилятор не может обнаружить файл .so этой библиотеки. Во всей имеющейся у меня документации пишется, что если использовать ключ -static, то можно насильно заставить компилятор использовать статическую библиотеку. Отлично, попробуем...

olya:~# gcc -staticmain.o -L. -lfs -o rez1

Результирующий файл rez1 получается размером в 900 Кб. После применения программы strip размер ее уменьшается до 200 Кб, но это же не сравнить с тем, что наша первая статическая компиляция давала программу размером 10 Кб. А связано это с тем, что любая программа написанная на C/C++ в Linux использует стандартную библиотеку "C" library, которая содержит в себе определения таких функций, как printf(), write() и всех остальных. Эта библиотека линкуется к файлу как динамическая, чтобы все программы написанные на C++ могли использовать единожды загруженные функции. Ну, а при указании ключа -static компилятор делает линковку libc статической, поэтому размер кода увеличивается на все 200 Кб.