0. 简介

在Linux环境下进行开发工作，代码要经过编译链接生成二进制可执行文件，才能被CPU识别并执行；程序的编译过程可以参考另外一篇文章《linux程序编译过程简析》；链接过程分为两种，静态链接和动态链接；

静态链接和动态链接最明显的区别是，两者链接的时机不一样；静态链接在生成可执行文件时；动态链接在程序加载执行时；

1. 静态链接

多个目标文件经过静态链接生成静态库，静态库也可以看作是多个目标文件的集合；链接器在链接静态库时，是以目标文件为单位的，使用ar命令可以查看静态库中包含的目标文件；在引用静态库中的printf()函数时，链接器会把库中包含printf()函数实现的目标文件链接进去，如果在这个目标文件中还有很多别的函数实现，这些没有被实际使用到的函数也会被链接到结果文件中，所以应该尽量将函数实现按照功能模块分成多个目标文件，以减少将没有使用到的函数链接到可执行文件中；

静态链接过程分两步：

空间与地址的分配；扫描所有目标文件，合并相似的段，收集所有的符号信息；符号解析与重定位；调整代码位置；

静态链接的优缺点

缺点：

浪费空间，因为每个可执行程序中对多有需要的目标文件都需要一份副本，所以多个程序对同一个目标文件有依赖，同一个目标文件会在内存中存在多个副本；更新困难，因为库函数修改后，需要重新进行编译链接生成可执行程序；

优点：

在可执行程序中已经包含了执行程序需要的所有函数，在执行的时候运行速度更快；

2. 动态链接

动态链接的基本思想是把程序按照模块拆分成相对独立的部分，在程序运行时将他们链接形成完整的程序，而不是像静态链接一样，把所有程序模块链接到一起生成一个可执行文件；

动态链接在程序运行时才进行链接形成完整的程序；程序编译的链接阶段，链接器只是拷贝了一些重定位和符号信息；在程序加载时才解析so文件中代码和数据的引用；

某个程序在运行中要调用某个动态链接库中的函数时，系统会先检查所有正在运行的程序，内存中是否已有该库函数的副本，如果有，则将其共享给程序，如果没有，则链接载入需要的动态链接库文件；被调用的动态链接库函数被加载在内存的某个位置，所有调用库文件的程序都指向这个代码段，因此库文件的代码必须使用相对地址，而不是绝对地址；在编译时，这些库文件用来做动态链接库，要用地址无关代码；

2.1 动态链接过程举例

假设有两个程序demo1.o和demo2.o，都依赖库文件demolib.o，如果程序demo1.o先运行，系统先把demo1.o加载到内存中，系统检测到demo1.o中用到了库文件demolib.o中的函数，系统会加载demolib.o和其他的依赖库文件到内存中；

在程序demo2.o运行时，同样加载demo2.o到内存，之后系统检测到demo2.o也用到了demolib.o中的函数，此时由于库文件demolib.o已经加载到内存中了，此时就不需要重新加载demolib.o文件，而是将内存中已经存在的demolib.o映射到demo2.o的虚拟地址空间中进行链接，形成可执行程序；

2.2 动态链接的优缺点

优点：

1. 即使需要每个程序都依赖同一个库，该库文件不会像静态链接在内存中存在多分副本，而是多个程序执行时共享同一个库函数副本；

2. 更新方便，更新时只需替换库文件中原来的目标文件，无需将所有的程序重新编译链接；在程序运行时，新版本的目标文件会被加载到内存中并进行链接；

缺点：

由于把链接操作推迟到了程序运行时，每次程序运行都需要进行链接，性能会有一些损失；

2.3 动态链接地址重定位

动态链接把链接过程推迟到了程序运行时，在生成可执行文件时，需要用到动态链接库；即在生成可执行程序时，发现少了一个外部实现的函数，此时会检查动态链接库，如果检查到该函数名时一个动态链接符号名，可执行程序就不会对这个符号重定位，而把这个过程推迟到程序装载时进行；

3. 生成库文件

3.1 生成静态链接库

源代码文件：demo.c

链接库的源代码文件：testlib.c

$ gcc -c testlib.c -o testlib.o     // 把lib.c文件编译不链接，生成.o文件$ ar testlib.o -rc libtest.a        // 使用ar工具把.o文件打包生成.a库文件

3.2 静态链接库的使用

$ gcc demo.c -o demo -ltest -L.     // testlib.a库在链接时使用-ltest

-L：表示要链接的库所在的目录

-l：指定链接的库，编译器查找链接库时会在名称前加上lib，后边加上.a或.so来确定库名称；

3.3 生成动态链接库

源代码文件：demo.c

链接库的源代码文件：testlib.c

$ gcc -fPIC -c testlib.c -o testlib.o   // 编译不链接$ gcc -shared testlib.o -o libtest.so   // 使用-shared生成动态链接库

-fPIC：用来创建与地址无关的编译程序，为了在多个程序间共享

-shared：指定生成动态链接库

也可以将以上两步操作合并为一步

$ gcc -fPIC -shared testlib.c -o libtest.so

3.4 动态链接库的使用

$ gcc demo.c -o demo -ltest -L.     // testlib.a库在链接时使用-ltest

由于动态链接库是在程序加载执行时进行链接，所以在系统加载可执行程序时，需要库文件的名字和绝对路径，还需要系统提供的动态加载器；对于ELF格式的可执行文件，动态加载器是ld-linux.so*，它会先后搜索ELF文件中DT_RPATH段、环境变量LD_LIBRARY_PATH、/etc/ld.so.cache文件列表、/lib/,/usr/lib目录，找到链接库文件后将其加载到内存；

在程序执行时需要能够找到链接库文件：

1) 将库文件安装到/lib或/usr/lib目录下；

2) 如果库文件安装在其他目录，需要将路径添加到/etc/ld.so.cache文件中，添加步骤如下：

a) 编辑/etc/ld.so.conf文件，加入库文件所在目录的路径；

b) 运行ldconfig，重建/etc/ld.so.cache文件；

4. 总结

在网上看到有的文章中把程序和库文件的静态和动态链接方式，比作书本和笔记的关联方式；

把书本上的内容比作程序，把参考书或者黑板上的笔记比作是要链接的目标；

静态链接，就像是把笔记抄写到书本上，或者抄写到活页上，粘贴到书本上，将笔记和书本合为一个整体；这样即使忘了带参考书，或者黑板上的笔记被擦掉，都不会影响，因为笔记和书本已经融合了；

优点是，效率更高了，看书方便多了；缺点是书本越来越厚；

动态链接，就像是在书本中标记笔记的位置注释，如：该部分参考什么什么书，第几页等信息，把笔记和书本分离称互相独立的个体，将笔记单独整理称库文件；在阅读到注释的地方，需要翻看笔记时才按照注释索引，查找笔记中对应的内容；动态链接的方式，需要书本和笔记同时在手，才能正常阅读；

优点是，不影响书本的空间；缺点是，查找笔记的效率比较低；

参考资料

《程序员的自我修养----链接、装载与库》

静态链接与动态链接的区别和使用

深入浅出静态链接和动态链接

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