【Linux】软硬链接、动静态库

1. 软链接

1.1. 概念

1.2. 特点

2. 独立文件：软链接文件在文件系统中是一个独立文件，拥有自己的inode编号和属性。

1.3. 应用场景

2. 动态库版本管理：对于共享库，可以使用软链接来管理不同版本动态库之间的切换。如：创建一个指向最新版本动态库的软链接，当库升级时，仅需要更新软链接指向新版本的动态库。

2. 硬链接

2.1. 概念

1. 硬链接概念：指多个文件名指向同一个物理文件的链接关系。这些链接在文件系统中具有相同的inode编号，但可以位于不同的目录中。

建立硬链接，并没有新建文件，而是为文件创建了新的文件名，硬链接不是一个独立的文件，因为inode与目标文件的inode相同。

2. 硬链接本质是在指定目录下，插入新的文件名和inode之间的映射关系，并让inode中的硬链接计数++。

ln 源路径 硬链接路径

2.2. 硬链计数

一、硬链接计数的概念

1. 概念：在linux中，每个inodo中都有一个硬链接计数，它表示有多少个文件名指向这个inode。

二、硬链接计数的变化场景

1. 创建文件：当创建一个新文件时，这个文件的硬件计数默认为1，因为此时只要一个文件名指向这个inode。

2. 创建硬链接：当使用ln创建一个文件的硬链接，不会创建一个新的文件，只会为该文件创建一个新的文件名，并增加inode中的硬链接计数。

3. 删除文件：当删除一个文件时，会删除指向该文件的文件名，并减少inode中的硬链接计数，如果此时硬链接计数等于0，文件才会被删除，系统回收该inode及其所占的磁盘空间。

三、硬链接计数的限制

1. 不能跨文件系统：硬链接只能在同一文件系统内创建，不能跨文件系统或分区，因为inode只在分区内唯一。

• Linux中，每个目录都包含两个特殊的目录 “.“和”. .”，".“代表当前目录，”. ."代表上级目录，它们在目录被创建时就自动生成，并作为硬链接存在。

2.3. 特点

1. 共享inode：硬链接与原始文件共享同一个inode编号，意味着它们指向同一个物理文件的数据块，对物理文件所做的任何更改都将反映在所有硬链接上。

2. 增加访问路径：创建硬链接实际上是为文件增加了一个新的访问路径或文件名。

3. 无差别访问：无论通过哪个文件名访问文件，都指向同一个inode，即：指向同一个文件内容。因此硬链接与原始文件无差别，二者等价。

4. 节省空间：由于硬链接共享相同的inode和数据块，因此它们不会占用额外都磁盘空间。

6. 删除与移动：如果删除目标文件或硬链接，只要inode中的硬链接计数不为0，文件仍可以被硬链接访问，直到硬链接计数=0，文件才被真正删除。

2.4. 应用场景

硬链接应用场景如下：数据备份、数据共享、数据恢复、版本控制、自动同步等。

3. 动静态库

1. 库文件：将多个对象文件(.o文件)打包在一起的文件。

如果我希望其他人能够使用我编写的方法，通常的方法是提供一组同名方法.o文件(预编译的对象文件)，然后将所有.o文件打包形成一个库文件，和相应的同名方法.h头文件。即：库文件 + 头文件。

3.1 库存在的原因

1. 提高开发效率。

库底层封装了重复的代码和常用的功能，使得开发者在编写项目时可以直接使用这些现成的代码，而无需从头开始编写，这大大减少了开发的时间，提高了开发效率。

2. 隐藏源代码。

这意味着用户只能看到库提供的接口(通过头文件.h)，而无法直接访问或修改库中的源代码，这有助于保护开发者的知识产权和代码实现。

3.2. 静态库制作与使用

#include"my_add.h"

int my_add(int a, int b)
{
    return a + b;                                                                    
}

#include"my_sub.h"

int my_sub(int a, int b)
{
    return a - b;                                                                    
}

3.2.1 打包

ar [options] archive-file object-files

1. archive-file是静态库名(lib库名.a)；object-files是要添加到库中的对象名(.o文件)。

2. 常见的选项

-c：创建库文件，如果库已存在，则会被覆盖。

-r：向库文件中添加.o文件，如果.o文件已在库中存在，则会被替换。

-t：列出库文件中包含的.o文件列表。

-v：在执行过程中显示详细的信息。

第一步：编译形成 .o 文件。

第二步：使用ar命令，将所有.o文件进行打包，形成静态库文件。

第三步：将库进行标准化。

1. 库的标准化：通常将头文件或库文件分别放在不同的文件夹中，可以提高项目的可维护性和组织性。

libmyc.a:my_add.o my_sub.o  //第二步：使用ar命令，将所有.o文件进行打包，形成静态库文件
    ar -rc $@ $^

%.o:%.c  //第一步：编译形成 .o 文件
    gcc -c $<
 
.PHONY:clean  
clean:
    rm -rf *.a *.o mylib mylib.tgz
  
.PHONY:output  //第三步：将库进行标准化
output:   
    mkdir -p mylib/include
    mkdir -p mylib/lib 
    cp -rf *.h mylib/include/
    cp -rf *.a mylib/lib/
    tar czf mylib.tgz mylib   

3.2.2. 使用

#include"my_add.h"
#include"my_sub.h"
 
int main()
{
    int a = 4, b = 3;
    printf("%d + %d = %d\n", a, b, my_add(a, b));
    printf("%d - %d = %d\n", a, b , my_sub(a, b));
    
    return 0;                                                                            
}

1. -I(i的大写)：用来指定编译器搜索头文件的额外路径。

2. -L：用来指定链接器搜索库文件的额外路径。

当链接器在链接中需要找到某个库文件(.so、.a)，它先会在标准的位置(系统默认的库路径)中查找，如果查找不到，链接器就会使用-L指定的路径进行搜索。

3. -l(L的小写)：用来指定链接器在链接过程中要链接的库。

这些选项分别用于控制编译和链接过程中的头文件、库文件的搜索路径和库文件的选择。

3.3. 动态库制作与使用

3.3.1. 打包

第一步：使用-fPIC选项，编译形成 .o 文件。

• -fPIC：用于指示编译器生成与位置无关的代码，无论代码被加载到内存的哪个位置，它都能正确运行，而不依赖于它在编译或加载时的具体地址。这种特性通过使用相对寻址，而不是绝对寻址来实现的。这对于创建共享库是至关重要的，因为共享库可以在进程地址空间的任何位置被加载。

第二步：使用-shared，将所有.o文件进行打包，形成动态库文件。

• -shared：告诉编译器gcc生成一个共享库(.so或.dll文件)。

第三步：将库进行标准化。

libmyc.so:my_add.o my_sub.o  //第二步：使用-shared，将所有.o文件进行打包，形成动态库文件
    gcc -shared -o $@ $^

%.o:%.c  //第一步：使用-fPIC选项，编译形成 .o 文件
    gcc -c -fPIC $<
 
.PHONY:clean  
clean:
    rm -rf *.so *.o mylib mylib.tgz
  
.PHONY:output  //第三步：将库进行标准化
output:   
    mkdir -p mylib/include
    mkdir -p mylib/lib 
    cp -rf *.h mylib/include/
    cp -rf *.so mylib/lib/
    tar czf mylib.tgz mylib   

3.3.2. 使用

现象：程序运行时，OS加载动态库文件myc失败，即：系统找不到这个文件。

4. 解决’动态库查不到’的4种方法

4.1. 库安装

1. 将库或其他软件安装到系统中，本质是把对应的文件，拷贝到系统默认的搜索路径中。

2. 在64位系统，系统中库默认的搜索路径为/lib64、/usr/lib64；在32系统，系统中库默认的搜索路径为/lib、/usr/lib。

4.2. 软链接

4.3. /etc/ld.so.conf.d配置文件

1. /etc/ld.so.conf.d目录下的配置文件，用来指定额外的库文件的搜索路径，以便动态链接器能够在运行时找到并加载这些库文件。

4.4. LD_LIBRARY_PATH环境变量

1. LD_LIBRARY_PATH：是一个环境变量，在linux中，为动态链接器指定额外的库搜索路径。

5. 动静态链接的选择

1. 动静库同时存在：gcc默认会使用动态库进行动态链接；若想要进行静态链接，必须加上-static选项。

2. 只存在静态库：可执行程序只能进行静态链接，程序不一定整体是静态链接的。

可执行程序只能进行静态链接，指的是对于特定库的链接方式： 当系统中只存在某个库的静态版本，任何尝试链接到这个库的程序都必须使用使用静态链接，因为动态链接器在运行时无法找到这个库的动态版本。

程序不一定整体是静态链接的，取决于它所依赖的所有库，以及编译链接时的选项： 一个程序可能依赖于多个库，此外，即使程序使用了静态链接来链接某些库时，它仍可能依赖于动态链接的库(C、C++标准库或系统库)，这些库在OS级别上提供，且以动态链接的形式存在，以便在多个程序之间共享。

3. 只存在动态库：只能进行动态链接，若非得进行静态链接，编译器或链接器会报错。

6. 理解动态库加载

6.1. 站在OS角度理解

一、动态库概念

1. 动态库：也称为共享库，是一种包含代码和数据，可以在多个程序之间共享的文件，存放在磁盘上。

与静态库不同，静态库在程序编译时会被完全复制到可执行文件中，而共享库则在程序运行时被加载到内存中，如果多个程序使用同一个共享库，OS会让这些进程共享内存中的同一份库代码和数据，即：动态库的代码和数据在内存中只存在一份。

2. 管理：系统中可以同时存在多个已经被加载的库，OS需要管理它们，先描述(包含了加载地址等信息)、再组织。

二、动态库加载的过程

1. 检查依赖：程序启动时，动态链接器会检查该程序依赖的所有动态库。

2. 搜索路径：动态链接器会在预设的库搜索路径中查找所需的动态库文件。

3. 加载与映射：第一次加载、后续加载。

4. 优点：节省内存、易于更新、提高了程序的性能和安全性。

6.2. 编址

可编址的范围：32位平台，[0, 2^32] -> [0, 4GB] ，64位平台，[0, 2^64] -> [0, 16GB]。

3. 绝对编址：在编译和链接过程中，符号的地址是固定的，即：已经确定了符号的实际的物理内存地址。这种方式要求程序运行时，必须加载到特定的物理地址处，否则无法正确的运行。

在计算机早期，程序使用绝对编址，因为当时系统比较简单，程序通常使用直接映射到物理内存的绝对编址，而没有复杂的内存管理和保护机制，如：虚拟内存、页表等。

4. 相对编制：也成为逻辑地址、虚拟地址。在编译和链接过程中，符号的地址是不固定的，而是相对于某个基地址的偏移量。这种方式允许程序在加载时动态确定实际地址，从而实现位置无关代码。

现代计算机系统广泛使用相对编址，因为这提供了更好的灵活性和安全性。

• 当基地址确定后，OS会使用可执行程序中各个区域的虚拟地址，来初始化进程地址空间、页表。每个区域在进程地址空间都有一个相对应的虚拟地址范围。在程序被加载到内存中，OS会自动分配物理内存，并构建页表来建立虚拟地址和物理地址之间的关系。

6.3. 理解动态链接和加载问题

6.3.1. 一般程序的加载

一、一般程序加载的过程

1. 读取可执行文件，并解析文件中各个段的信息：OS先从存储介质（如硬盘）中读取可执行文件(程序代码、数据以及依赖的库)，然后OS会解析可执行文件中的各个段（如代码段、数据段、堆栈段等）的信息。这些段包含了程序运行所需的所有指令和数据。

5. 初始化数据段和未初始化数据段、构建页表。

三、CPU执行程序的过程

6.3.2. 动态库的加载