Статические и динамические библиотеки
Обновл. 15 Сен 2021 |
Библиотека — это «сборник» кода, который можно многократно использовать в самых разных программах. Как правило, библиотека в языке C++ состоит из двух частей:
Заголовочный файл, который объявляет функционал библиотеки.
Предварительно скомпилированный бинарный файл, содержащий реализацию функционала библиотеки.
Некоторые библиотеки могут быть разбиты на несколько файлов и/или иметь несколько заголовочных файлов.
Типы библиотек
Библиотеки предварительно компилируют по нескольким причинам. Во-первых, их код редко меняется. Было бы напрасной тратой времени повторно компилировать библиотеку каждый раз при её использовании в новой программе. Во-вторых, поскольку весь код предварительно скомпилирован в машинный язык, то это предотвращает получение доступа к исходному коду (и его изменение) сторонними лицами. Этот пункт важен для предприятий/людей, которые не хотят, чтобы результат их труда (исходный код) был доступен всем.
Есть 2 типа библиотек: статические и динамические.
Статическая библиотека (или «архив») состоит из подпрограмм, которые непосредственно компилируются и линкуются с вашей программой. При компиляции программы, которая использует статическую библиотеку, весь функционал статической библиотеки (тот, что использует ваша программа) становится частью вашего исполняемого файла. В Windows статические библиотеки имеют расширение .lib (сокр. от «library»), тогда как в Linux статические библиотеки имеют расширение .a (сокр. от «archive»).
Одним из преимуществ статических библиотек является то, что вам нужно распространить всего лишь 1 (исполняемый) файл, чтобы пользователи могли запустить и использовать вашу программу. Поскольку статические библиотеки становятся частью вашей программы, то вы можете использовать их подобно функционалу своей собственной программы. С другой стороны, поскольку копия библиотеки становится частью каждого вашего исполняемого файла, то это может привести к увеличению размера файла. Также, если вам нужно будет обновить статическую библиотеку, вам придется перекомпилировать каждый исполняемый файл, который её использует.
Динамическая библиотека (или «общая библиотека») состоит из подпрограмм, которые подгружаются в вашу программу во время её выполнения. При компиляции программы, которая использует динамическую библиотеку, эта библиотека не становится частью вашего исполняемого файла — она так и остается отдельным модулем. В Windows динамические библиотеки имеют расширение .dll (сокр. от «dynamic link library»), тогда как в Linux динамические библиотеки имеют расширение .so (сокр. от «shared object»). Одним из преимуществ динамических библиотек является то, что разные программы могут совместно использовать одну копию динамической библиотеки, что значительно экономит используемое пространство. Еще одним преимуществом динамической библиотеки является то, что её можно обновить до более новой версии без необходимости перекомпиляции всех исполняемых файлов, которые её используют.
Поскольку динамические библиотеки не линкуются непосредственно с вашей программой, то ваши программы, использующие динамические библиотеки, должны явно подключать и взаимодействовать с динамической библиотекой. Этот механизм не всегда может быть понятен для новичков, что может затруднить взаимодействие с динамической библиотекой. Для упрощения этого процесса используют библиотеки импорта.
Установка библиотек
Теперь, когда мы уже разобрались с типами библиотек, давайте поговорим о том, как их использовать в наших программах. Установка библиотеки в языке C++ состоит из четырех последовательных шагов:
Шаг №2: Установите библиотеку. В Linux это делается путем вызова менеджера пакетов, а дальше он всё делает сам. В Windows вам придется разархивировать библиотеку самостоятельно в любую выбранную вами папку. Рекомендуется хранить все используемые библиотеки в одном месте для быстрого доступа к ним. Например, создайте папку Libs ( C:\Libs ) и выделяйте для каждой (используемой вами) библиотеки свою отдельную подпапку.
Использование библиотек
Как только библиотека установлена, и ваша IDE знает, где искать её файлы, то для того, чтобы вы могли использовать эту библиотеку в ваших проектах, вам необходимо выполнить следующие 3 шага:
Шаг №5: Если вы используете статические библиотеки или библиотеки импорта, сообщите линкеру, какие файлы библиотеки нужно связать с вашей программой.
Шаг №6: Подключите заголовочные файлы библиотеки к вашей программе.
Заключение
Шаги №3-№5 включают настройку вашей IDE. К счастью, почти все IDE работают одинаково, когда дело доходит до выполнения подобных задач. На следующем уроке мы рассмотрим, как выполнить данные шаги в Visual Studio.
Поделиться в социальных сетях:
Что такое статическая библиотека в программировании
В отличие от статических библиотек, код совместно используемых (динамических) библиотек не включается в бинарник. Вместо этого в бинарник включается только ссылка на библиотеку.
Рассмотрим преимущества и недостатки статических и совместно используемых библиотек. Статические библиотеки делают программу более автономной: программа, скомпонованная со статической библиотекой может запускаться на любом компьютере, не требуя наличия этой библиотеки (она уже «внутри» бинарника). Программа, скомпонованная с динамической библиотекой, требует наличия этой библиотеки на том компьютере, где она запускается, поскольку в бинарнике не код, а ссылка на код библиотеки. Не смотря на такую зависимость, динамические библиотеки обладают двумя существенными преимуществами. Во-первых, бинарник, скомпонованный с совместно используемой библиотекой меньше размером, чем такой же бинарник, с подключенной к нему статической библиотекой (статически скомпонованный бинарник). Во-вторых, любая модернизация динамической библиотеки, отражается на всех программах, использующих ее. Таким образом, если некоторую библиотеку foo используют 10 программ, то исправление какой-нибудь ошибки в foo или любое другое улучшение библиотеки автоматически улучшает все программы, которые используют эту библиотеку. Именно поэтому динамические библиотеки называют совместно используемыми. Чтобы применить изменения, внесенные в статическую библиотеку, нужно пересобрать все 10 программ.
В Linux статические библиотеки обычно имеют расширение .a (Archive), а совместно используемые библиотеки имеют расширение .so (Shared Object). Хранятся библиотеки, как правило, в каталогах /lib и /usr/lib. В случае иного расположения (относится только к совместно используемым библиотекам), приходится немного «подшаманить», чтобы программа запустилась.
3.2. Пример статической библиотеки
Теперь давайте создадим свою собственную библиотеку, располагающую двумя функциями: h_world() и g_world(), которые выводят на экран «Hello World» и «Goodbye World» соответственно. Начнем со статической библиотеки.
Начнем с интерфейса. Создадим файл world.h: Здесь просто объявлены функции, которые будут использоваться.
Теперь надо реализовать серверы. Создадим файл h_world.c: Теперь создадим файл g_world.c, содержащий реализацию функции g_world(): Можно было бы с таким же успехом уместить обе функции в одном файле (hello.c, например), однако для наглядности мы разнесли код на два файла.
Теперь создадим файл main.c. Это клиент, который будет пользоваться услугами сервера:
Теперь напишем сценарий для make. Для этого создаем Makefile: Не забывайте ставить табуляции перед каждым правилом в целевых связках.
Осталось только проверить, работает ли программа и разобраться, что же мы такое сделали:
Итак, в приведенном примере появились три новые вещи: опции -l и -L компилятора, а также команда ar. Начнем с последней. Как вы уже догадались, команда ar создает статическую библиотеку (архив). В нашем случае два объектных файла объединяются в один файл libworld.a. В Linux практически все библиотеки имеют префикс lib.
3.3. Пример совместно используемой библиотеки
Для того, чтобы создать и использовать динамическую (совместно используемую) библиотеку, достаточно переделать в нашем проекте Makefile.
Внешне ничего не изменилось: программа компилируется, запускается и выполняет те же самые действия, что и в предыдущем случае. Изменилась внутренняя суть, которая играет для программиста первоочередную роль. Рассмотрим все по порядку.
A.1 – Статические и динамические библиотеки
Библиотека – это пакет кода, который предназначен для повторного использования многими программами. Обычно библиотека C++ состоит из двух частей:
Некоторые библиотеки могут быть разделены на несколько файлов и/или иметь несколько файлов заголовков.
Библиотеки предварительно скомпилированы по нескольким причинам. Во-первых, поскольку библиотеки меняются редко, их не нужно часто перекомпилировать. Было бы пустой тратой времени перекомпилировать библиотеку каждый раз, когда вы пишете программу, которая ее использует. Во-вторых, поскольку предварительно скомпилированные объекты представлены машинным кодом, люди не могут получить доступ к исходному коду или изменить его, что важно для предприятий или людей, которые не хотят делать свой исходный код доступным из соображений интеллектуальной собственности.
Существует два типа библиотек: статические библиотеки и динамические библиотеки.
Поскольку динамические библиотеки не связаны с вашей программой, программы, использующие динамические библиотеки, должны явно загружать и взаимодействовать с динамической библиотекой. Этот механизм может сбивать с толку и затруднять взаимодействие с динамической библиотекой. Чтобы упростить использование динамических библиотек, можно использовать библиотеку импорта.
Установка и использование библиотек
Теперь, когда вы знаете о различных типах библиотек, давайте поговорим о том, как на самом деле использовать библиотеки в вашей программе. Установка библиотеки на C++ обычно состоит из 4 шагов:
После того, как библиотека установлена, и среда IDE знает, где ее искать, обычно необходимо выполнить следующие 3 шага для каждого проекта, который хочет использовать библиотеку:
Шаги 3-5 включают настройку вашей IDE – к счастью, когда дело доходит до выполнения этих вещей, почти все IDE работают одинаково. К сожалению, поскольку каждая среда IDE имеет свой интерфейс, самая сложная часть этого процесса – просто определить правильное место для выполнения каждого из этих шагов. Следовательно, в следующих нескольких уроках этого раздела мы расскажем, как выполнить все эти шаги как для Visual Studio, так и для Code::Blocks. Если вы используете другую IDE, прочтите оба урока – к тому времени, когда вы закончите, у вас должно быть достаточно информации, чтобы сделать то же самое с вашей собственной IDE и небольшим гуглением.
Статические библиотеки (C++/CX)
статическая библиотека, используемая в приложении универсальная платформа Windows (UWP), может содержать стандартный код C++, включая типы STL, а также вызовы api-интерфейсов Win32, которые не исключены из платформы среда выполнения Windows приложений. статическая библиотека использует компоненты среда выполнения Windows и может создавать среда выполнения Windows компоненты с определенными ограничениями.
Создание статических библиотек
инструкции по созданию нового проекта зависят от установленной версии Visual Studio. Чтобы ознакомиться с документацией по предпочтительной версии Visual Studio, используйте селектор Версия. Он находится в верхней части оглавления на этой странице.
Создание статической библиотеки UWP в Visual Studio
в верхней части диалогового окна задайте для параметра Language значение C++, задайте для параметра Platform значение Windowsи задайте для параметра Project тип значение UWP.
в отфильтрованном списке типов проектов выберите статическая библиотека (Universal Windows — C++/cx) и нажмите кнопку далее. На следующей странице присвойте проекту имя и при необходимости укажите расположение проекта.
Нажмите кнопку Создать, чтобы создать проект.
создание статической библиотеки UWP в Visual Studio 2017 или Visual Studio 2015
в строке меню выберите файл создать Project. в разделе Visual C++ Windows universal выберите статическую библиотеку (универсальная Windows).
В области Обозреватель решенийоткройте контекстное меню для проекта и выберите пункт Свойства. в диалоговом окне свойства на странице свойства конфигурации C/C++ задайте для параметра использовать расширение среда выполнения Windows значение да (/ZW).
При компиляции новой статической библиотеки при вызове API Win32, который исключен для приложений UWP, компилятор вызовет ошибку C3861, «идентификатор не найден». чтобы найти альтернативный метод, который поддерживается для среда выполнения Windows, см. раздел альтернативы Windows api в приложениях UWP.
При добавлении проекта статической библиотеки C++ в решение приложения UWP может потребоваться обновить параметры свойств проекта библиотеки, чтобы для свойства поддержки UWP было задано значение Да. Без этого параметра код выполняет сборку и ссылки, но при попытке проверить приложение для Microsoft Store возникает ошибка. Статическая библиотека должна компилироваться с теми же параметрами компилятора, что и проект, в котором она используется.
предупреждение LNK4264: архивирование объектного файла, скомпилированного с помощью/ZW, в статическую библиотеку; обратите внимание, что при создании среда выполнения Windows типов не рекомендуется связываться со статической библиотекой, содержащей метаданные среда выполнения Windows.
предупреждение можно спокойно проигнорировать только в том случае, если статическая библиотека не создается среда выполнения Windows компонентов, которые используются за пределами самой библиотеки. Если библиотека не использует компонент, который она определяет, то компоновщик может оптимизировать реализацию, даже если открытые метаданные содержат сведения о типе. Это означает, что открытые компоненты в статической библиотеке будут скомпилированы, но не активируются во время выполнения. по этой причине любой компонент среда выполнения Windows, предназначенный для использования другими компонентами или приложениями, должен быть реализован в библиотеке динамической компоновки (DLL).
Библиотеки
Библиотеки позволяют использовать разработанный ранее программный код в различных программах. Таким образом, программист может не разрабатывать часть кода для своей программы, а воспользоваться тем, что входит в состав библиотек.
В языке программирования C код библиотек представляет собой функции, размещенные в файлах, которые скомпилированы в объектные файлы, а те, в свою очередь, объединены в библиотеки. В одной библиотеке объединяются функции, решающие определенный тип задач. Например, существует библиотека математических функций.
У каждой библиотеки должен быть свой заголовочный файл, в котором должны быть описаны прототипы (объявления) всех функций, содержащихся в этой библиотеке. С помощью заголовочных файлов вы «сообщаете» вашему программному коду, какие библиотечные функции есть и как их использовать.
При компиляции программы библиотеки подключаются линковщиком, который вызывается gcc. Если программе требуются только стандартные библиотеки, то дополнительных параметров линковщику передавать не надо (есть исключения). Он «знает», где стандартные библиотеки находятся, и подключит их автоматически. Во всех остальных случаях при компиляции программы требуется указать имя библиотеки и ее местоположение.
Библиотеки бывают двух видов — статические и динамические. Код первых при компиляции полностью входит в состав исполняемого файла, что делает программу легко переносимой. Код динамических библиотек не входит в исполняемый файл, последний содержит лишь ссылку на библиотеку. Если динамическая библиотека будет удалена или перемещена в другое место, то программа работать не будет. С другой стороны, использование динамических библиотек позволяет сократить размер исполняемого файла. Также если в памяти находится две программы, использующие одну и туже динамическую библиотеку, то последняя будет загружена в память лишь единожды.
Далее будет описан пример, в котором создается библиотека, после чего используется при создании программы.
Пример создания библиотеки
Допустим, мы хотим создать код, который в дальнейшем планируем использовать в нескольких проектах. Следовательно, нам требуется создать библиотеку. Исходный код для библиотеки было решено разместить в двух файлах исходного кода.
Также на данный момент у нас есть план первого проекта, использующего эту библиотеку. Сам проект также будет включать два файла.
В итоге, когда все будет сделано, схема каталогов и файлов будет выглядеть так:
Для компиляции проекта достаточно иметь только одну библиотеку: статическую или динамическую. В образовательных целях мы получим обе и сначала скомпилируем проект со статической библиотекой, потом — с динамической. Статическая и динамическая «разновидности» одной библиотеки по-идее должны называться одинаково (различаются только расширения). Поскольку у нас обе библиотеки будут находиться в одном каталоге, то чтобы быть уверенными, что при компиляции проекта мы используем ту, которую хотим, их названия различны (libmy1 и libmy2).
Исходный код библиотеки
В файле text.c определена единственная функция, принимающая указатель на символ строки. Функция выводит на экране звездочки в количестве, соответствующем длине указанной строки.
Заголовочный файл можно создать в каталоге source, но мы лучше сохраним его там, где будут библиотеки. В данном случае это на уровень выше (каталог library). Тем самым как бы подчеркивается, что файлы исходных кодов после создания из них библиотеки вообще не нужны пользователям библиотек, они нужны лишь разработчику библиотеки. А вот заголовочный файл библиотеки требуется для ее правильного использования.
Создание статической библиотеки
Статическую библиотеку создать проще, поэтому начнем с нее. Она создается из обычных объектных файлов путем их архивации с помощью утилиты ar.
Получаем объектные файлы:
В итоге в каталоге library должно наблюдаться следующее:
Далее используем утилиту ar для создания статической библиотеки:
Параметр r позволяет вставить файлы в архив, если архива нет, то он создается. Далее указывается имя архива, после чего перечисляются файлы, из которых архив создается.
Объектные файлы нам не нужны, поэтому их можно удалить:
В итоге содержимое каталога library должно выглядеть так:
, где libmy1.a — это статическая библиотека.
Создание динамической библиотеки
Использованные объектные файлы можно удалить:
В итоге содержимое каталога library:
Использование библиотеки в программе
Исходный код программы
Теперь в каталоге project (который у нас находится на одном уровне файловой иерархии с library) создадим файлы проекта, который будет использовать созданную библиотеку. Поскольку сама программа будет состоять не из одного файла, то придется здесь также создать заголовочный файл.
Обратите внимание на то, как подключается заголовочный файл библиотеки: через относительный адрес. Две точки обозначают переход в каталог на уровень выше, т.е. родительский по отношению к project, после чего путь продолжается во вложенный в родительский каталог library. Можно было бы указать абсолютный путь, например, «/home/pl/c/les22/library/mylib.h». Однако при перемещении каталогов библиотеки и программы на другой компьютер или в другой каталог адрес был бы уже не верным. В случае с относительным адресом требуется лишь сохранять расположение каталогов project и library относительно друг друга.
Здесь два раза вызывается библиотечная функция rect() и один раз функция data() из другого файла проекта. Чтобы сообщить функции main() прототип data() также подключается заголовочный файл проекта.
Файл project.h содержит всего одну строчку:
Из обоих файлов проекта с исходным кодом надо получить объектные файлы для объединения их потом с файлом библиотеки. Сначала мы получим исполняемый файл, содержащий статическую библиотеку, потом — связанный с динамической библиотекой. Однако с какой бы библиотекой мы не компоновали объектные файлы проекта, компилируются они как для статической, так и динамической библиотеки одинаково:
При этом не забудьте сделать каталог project текущим!
Компиляция проекта со статической библиотекой
Теперь в каталоге project есть два объектных файла: main.o и data.o. Их надо скомпилировать в исполняемый файл project, объединив со статической библиотекой libmy1.a. Делается это с помощью такой команды:
Запустив исполняемый файл project и выполнив программу, мы увидим на экране примерно следующее:
Посмотрим размер файла project:
Его размер равен 8698 байт.
Компиляция проекта с динамической библиотекой
Теперь удалим исполняемый файл и получим его уже связанным с динамической библиотекой. Команда компиляции с динамической библиотекой выглядит так (одна команда разбита на две строки с помощью обратного слэша и перехода на новую строку):
Следует заметить, что если вы скомпилируете программу, используя приведенную команду, то исполняемый файл будет запускаться из командной строки только в том случае, если текущий каталог project. Стоит сменить каталог, будет возникать ошибка из-за того, что динамическая библиотека не будет найдена. Но если скомпилировать программу так:
, т.е. указать для линковщика абсолютный адрес, то программа в данной системе будет запускаться из любого каталога.
Размер исполняемого файла проекта, связанного с динамической библиотекой, получился равным 8544 байта. Это немного меньше, чем при компиляции проекта со статической библиотекой. Если посмотреть на размеры библиотек:
, то видно, что динамическая больше статической, хотя исполняемый файл проекта со статической библиотекой больше. Это доказывает, что в исполняемом файле, связанном с динамической библиотекой, присутствует лишь ссылка на нее.