Linux软硬链接及动静态库详解

在Linux系统中，文件名通过inode与磁盘上的文件关联，硬链接允许多个文件名指向同一个inode，而软链接则是通过文件名引用另一个文件，类似于快捷方式。库是可复用的代码，分为静态库（.a文件）和动态库（.so文件）。静态库在编译时被链接到可执行文件中，动态库则在程序运行时进行链接，支持多个程序共享。制作和使用这些库需要遵循特定的步骤和命令。

在Linux系统中，文件名并不直接指向磁盘上的文件，而是通过inode进行关联。多个文件名可以指向同一个inode，这在Linux中被称为硬链接。

例如，文件abc和def具有相同的链接状态，它们都是指向inode 789665的硬链接。这个inode的硬链接数为2。当删除文件时，系统会执行两个操作：1. 从目录中删除相应的记录；2. 将硬链接数减1，如果硬链接数变为0，则释放对应的磁盘空间。

1.2 软链接

硬链接通过inode引用另一个文件，而软链接则是通过文件名来引用另一个文件。软链接和被引用的文件拥有不同的inode，可以看作是文件系统中的快捷方式。在Shell中，创建软链接的方式如下：

1.3 软硬链接的对比

软链接是一个独立的文件，而硬链接只是文件名与目标文件inode之间的映射关系。

1.4 软硬链接的用途

硬链接：

• 常用于备份文件。
• 例如.和..就是硬链接。

软链接：

• 类似于快捷方式，常用于创建指向其他文件的引用。

2. 什么是库

库是已经编写好的、成熟的、可复用的代码。在实际应用中，每个程序都依赖于许多基础的底层库，不可能从零开始编写所有代码，因此库的存在非常重要。

库本质上是可执行代码的二进制形式，可以被操作系统加载到内存中执行。库分为两种类型：

• 静态库：在Linux中为.a文件，在Windows中为.lib文件。
• 动态库：在Linux中为.so文件，在Windows中为.dll文件。

在CentOS系统中，C语言和C++语言的动静态库如下：

C语言：

C++语言：

3. 制作动静态库

预备工作：

3.1 静态库

静态库（.a文件）在程序编译链接时将其代码链接到可执行文件中，程序运行时不再需要静态库。一个可执行程序可能使用多个库，这些库可以是静态库或动态库。默认情况下，编译器会使用动态链接库，只有在找不到相应的.so文件时，才会使用同名的静态库。可以使用gcc的-static选项强制使用静态库。

3.1.1 静态库的生成

注释：ar是GNU归档工具，rc表示替换和创建。

t选项列出静态库中的文件，v选项提供详细信息。

3.1.2 静态库的使用

在任意目录下，新建main.c文件并引入库头文件：

#include "my_stdio.h"
#include "my_string.h"
#include <stdio.h>

int main() {
    const char *s = "abcdefg";
    printf("%s: %d\n", s, my_strlen(s));
    mFILE *fp = mfopen("./log.txt", "a");
    if(fp == NULL) return 1;
    mfwrite(s, my_strlen(s), fp);
    mfwrite(s, my_strlen(s), fp);
    mfwrite(s, my_strlen(s), fp);
    mfclose(fp);
    return 0;
}

场景一：头文件和库文件都已安装到系统路径下。

头文件安装到系统路径：

库文件安装到系统路径：

此时直接编译gcc main.c会出现链接错误，因为系统路径下gcc默认只会链接C的标准库，第三方库需要明确指定：

$ gcc main.c -lmystdio // -l 表示指定链接的库，空格可带可不带

场景二：头文件和库文件与源文件在同一路径下。

头文件查找规则是先查找同级目录，再查找系统目录，因此头文件不会报错，但库文件只会在系统路径下查找，需要指定库路径：

$ gcc main.c -L. -lmymath // -L表示指明库的路径

场景三：头文件和库文件都有各自独立的路径。

找不到头文件，因为头文件和main.c不在同一级目录下，也不位于系统目录：

此时找到头文件，但库文件找不到：

有库的路径但不知道链接哪个库：

此时编译成功：

$ gcc main.c -I头文件路径 -L库文件路径 -lmymath // -I指明头文件路径

总结：

测试目标文件生成后，删除静态库，程序仍然可以运行。库文件名称和引入库文件名称：去掉前缀lib，去掉后缀.so或.a，例如libc.so -> c。

3.2 动态库

动态库（.so文件）在程序运行时才进行链接，多个程序可以共享使用库的代码。一个与动态库链接的可执行文件仅包含它所用到的函数入口地址表，而非外部函数所在目标文件的整个机器码。在可执行文件开始运行前，外部函数的机器码由操作系统从磁盘上的动态库中复制到内存中，这个过程称为动态链接（dynamic linking）。动态库可以在多个程序间共享，因此动态链接使得可执行文件更小，节省了磁盘空间。操作系统通过虚拟内存机制允许物理内存中的一份动态库被所有使用该库的进程共享，节省了内存和磁盘空间。

3.2.1 动态库的生成

shared选项表示生成共享库格式，fPIC选项产生位置无关码（position independent code）。库名规则为libxxx.so：

3.2.2 动态库的使用

场景一：头文件和库文件安装到系统路径下。

此时直接编译会导致链接错误，与静态库类似：

$ gcc main.c -lmystdio

场景二：头文件和库文件与源文件在同一路径下。

$ gcc main.c -L. -lmymath // 从左到右搜索-L指定的目录

场景三：头文件和库文件都有各自独立的路径。

$ gcc main.c -I头文件路径 -L库文件路径 -lmymath

使用ldd查看可执行文件依赖哪些库：

问题1：

如果删除库中的文件，会导致如下错误：

这是因为动态链接的特性，删除库文件会导致链接错误，而静态链接则不会。

解决方案：

• 拷贝.so文件到系统共享路径下，通常是/usr/lib, /usr/local/lib, /lib64等。
• 在系统共享路径下建立同名的软链接。

Linux系统会查找动态库和环境变量，可以通过更改环境变量LD_LIBRARY_PATH来指定动态库路径：

但重启Xshell后，导入的环境变量会丢失，可以将环境变量添加到.bashrc文件中：

使用ldconfig方案：配置/etc/ld.so.conf.d/，然后使用ldconfig更新：

将库的路径写入配置文件，系统会在配置文件中的路径查找库，自行创建一个配置文件：

然后在命令行输入ldconfig，即可生效。

程序运行时与gcc无关，gcc是告诉编译器接下来操作系统要加载你的程序。

如何让系统指定路径查找自己的动态库，上述就是解决方案。

问题2：如果同时提供.so和.a，gcc/g++默认使用什么库？

默认使用动态库：

如果想要静态链接，需要添加-static选项：

注意：

如果你要强制静态链接，必须提供对应的静态库。如果只提供静态库但连接方式是动态链接，gcc/g++没有选择，只能针对你的.a文件局部采用静态链接。因此，如果从系统路径中删除库文件，程序仍然可以运行。

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