C++編程知識分享：動態庫
動態庫
我們上一篇文章介紹了靜態庫，我們發現靜態庫，容易使用和理解，也達到了代碼復用的目的，那為什麽還需要動態庫呢？
為什麽還需要動態庫？
為什麽需要動態庫，其實也是靜態庫的特點導致。
空間浪費是靜態庫的一個問題。
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另一個問題是靜態庫對程序的更新、部署和發布頁會帶來麻煩。如果靜態庫liba.lib更新了，所以使用它的應用程序都需要重新編譯、發布給用戶（對於玩家來說，可能是一個很小的改動，卻導致整個程序重新下載，全量更新）。
動態庫在程序編譯時並不會被連接到目標代碼中，而是在程序運行是才被載入。不同的應用程序如果調用相同的庫，那麽在內存裏只需要有一份該共享庫的實例，規避了空間浪費問題。動態庫在程序運行是才被載入，也解決了靜態庫對程序的更新、部署和發布頁會帶來麻煩。用戶只需要更新動態庫即可，增量更新。
動態庫特點總結：
動態庫把對一些庫函數的鏈接載入推遲到程序運行的時期。
可以實現進程之間的資源共享。（因此動態庫也稱為共享庫）
將一些程序升級變得簡單。
甚至可以真正做到鏈接載入完全由程序員在程序代碼中控制（顯示調用）。
Window與Linux執行文件格式不同，在創建動態庫的時候有一些差異。
在Windows系統下的執行文件格式是PE格式，動態庫需要一個DllMain函數做出初始化的入口，通常在導出函數的聲明時需要有_declspec(dllexport)關鍵字。
Linux下gcc編譯的執行文件默認是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要函數做特別的聲明，編寫比較方便。
與創建靜態庫不同的是，不需要打包工具（ar、lib.exe），直接使用編譯器即可創建動態庫。
Linux下創建與使用動態庫
linux動態庫的命名規則
動態鏈接庫的名字形式為 libxxx.so，前綴是lib，後綴名為“.so”。
針對於實際庫文件，每個共享庫都有個特殊的名字“soname”。在程序啟動後，程序通過這個名字來告訴動態加載器該載入哪個共享庫。
在文件系統中，soname僅是一個鏈接到實際動態庫的鏈接。對於動態庫而言，每個庫實際上都有另一個名字給編譯器來用。它是一個指向實際庫鏡像文件的鏈接文件（lib+soname+.so）。
創建動態庫（.so）
編寫四則運算動態庫代碼：
#pragma once
class DynamicMath
{
public:
DynamicMath(void);
~DynamicMath(void);
static double add(double a, double b);
static double sub(double a, double b);
static double mul(double a, double b);
static double div(double a, double b);
void print();
};
首先，生成目標文件，此時要加編譯器選項-fpic
Shell
1g++ -fPIC -c DynamicMath.cpp
-fPIC 創建與地址無關的編譯程序（pic，position independent code），是為了能夠在多個應用程序間共享。
然後，生成動態庫，此時要加鏈接器選項-shared
Shell
1g++ -shared -o libdynmath.so DynamicMath.o
-shared指定生成動態鏈接庫。
其實上面兩個步驟可以合並為一個命令：
Shell
1g++ -fPIC -shared -o libdynmath.so DynamicMath.cpp
使用動態庫
編寫使用動態庫的測試代碼：
#include "../DynamicLibrary/DynamicMath.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int main(int argc, char* argv[])
{
double a = 10;
double b = 2;
cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;
cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;
cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;
cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;
DynamicMath dyn;
dyn.print();
return 0;
}
引用動態庫編譯成可執行文件（跟靜態庫方式一樣）：
g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath
然後運行：./a.out，發現竟然報錯了！！！
可能大家會猜測，是因為動態庫跟測試程序不是一個目錄，那我們驗證下是否如此：
發現還是報錯！！！那麽，在執行的時候是如何定位共享庫文件的呢？
1) 當系統加載可執行代碼時候，能夠知道其所依賴的庫的名字，但是還需要知道絕對路徑。此時就需要系統動態載入器(dynamic linker/loader)。
2) 對於elf格式的可執行程序，是由ld-linux.so*來完成的，它先後搜索elf文件的 DT_RPATH段—環境變量LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache文件列表—/lib/,/usr/lib 目錄找到庫文件後將其載入內存。
如何讓系統能夠找到它：
如果安裝在/lib或者/usr/lib下，那麽ld默認能夠找到，無需其他操作。
如果安裝在其他目錄，需要將其添加到/etc/ld.so.cache文件中，步驟如下：
1. 編輯/etc/ld.so.conf文件，加入庫文件所在目錄的路徑
2. 運行ldconfig ，該命令會重建/etc/ld.so.cache文件
我們將創建的動態庫復制到/usr/lib下面，然後運行測試程序。
Windows下創建與使用動態庫
創建動態庫（.dll）
與Linux相比，在Windows系統下創建動態庫要稍微麻煩一些。首先，需要一個DllMain函數做出初始化的入口（創建win32控制臺程序時，勾選DLL類型會自動生成這個文件）：
// dllmain.cpp : Defines the entry point for the DLL application.
#include "stdafx.h"
BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,
DWORD ul_reason_for_call,
LPVOID lpReserved
)
{
switch (ul_reason_for_call)
{
case DLL_PROCESS_ATTACH:
case DLL_THREAD_ATTACH:
case DLL_THREAD_DETACH:
case DLL_PROCESS_DETACH:
break;
}
return TRUE;
}
通常在導出函數的聲明時需要有_declspec(dllexport)關鍵字：
#pragma once
class DynamicMath
{
public:
__declspec(dllexport) DynamicMath(void);
__declspec(dllexport) ~DynamicMath(void);
static __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法
static __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//減法
static __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法
static __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法
__declspec(dllexport) void print();
};
生成動態庫需要設置工程屬性，打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→”常規”，配置類型選擇動態庫。
Build項目即可生成動態庫。
使用動態庫
創建win32控制臺測試程序：
#include "stdafx.h"
#include "DynamicMath.h"
#include <iostream>
using namespace std;
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
double a = 10;
double b = 2;
cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;
cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;
cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;
cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;
DynamicMath dyn;
dyn.print();
system("pause");
return 0;
}
方法一：
工程“屬性面板”→“通用屬性”→“框架和引用”→”添加引用”，將顯示“添加引用”對話框。“項目”選項卡列出了當前解決方案中的各個項目以及可以引用的所有庫。 在“項目”選項卡中，選擇 DynamicLibrary。 單擊“確定”。
添加DynamicMath.h 頭文件目錄，必須修改包含目錄路徑。打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→“C/C++”→” 常規”，在“附加包含目錄”屬性值中，鍵入DynamicMath.h 頭文件所在目錄的路徑或瀏覽至該目錄。
編譯運行OK。
方法二：
“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”常規”，附加依賴庫目錄中輸入，動態庫所在目錄；
“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”輸入”，附加依賴庫中輸入動態庫編譯出來的DynamicLibrary.lib。
這裏可能大家有個疑問，動態庫怎麽還有一個DynamicLibrary.lib文件？即無論是靜態鏈接庫還是動態鏈接庫，最後都有lib文件，那麽兩者區別是什麽呢？其實，兩個是完全不一樣的東西。
StaticLibrary.lib的大小為190KB，DynamicLibrary.lib的大小為3KB，靜態庫對應的lib文件叫靜態庫，動態庫對應的lib文件叫【導入庫】。實際上靜態庫本身就包含了實際執行代碼、符號表等等，而對於導入庫而言，其實際的執行代碼位於動態庫中，導入庫只包含了地址符號表等，確保程序找到對應函數的一些基本地址信息。
動態庫的顯式調用
上面介紹的動態庫使用方法和靜態庫類似屬於隱式調用，編譯的時候指定相應的庫和查找路徑。其實，動態庫還可以顯式調用。【在C語言中】，顯示調用一個動態庫輕而易舉！
在Linux下顯式調用動態庫
#include <dlfcn.h>，提供了下面幾個接口：
void * dlopen( const char * pathname, int mode )：函數以指定模式打開指定的動態連接庫文件，並返回一個句柄給調用進程。
void* dlsym(void* handle,const char* symbol)：dlsym根據動態鏈接庫操作句柄(pHandle)與符號(symbol)，返回符號對應的地址。使用這個函數不但可以獲取函數地址，也可以獲取變量地址。
int dlclose (void *handle)：dlclose用於關閉指定句柄的動態鏈接庫，只有當此動態鏈接庫的使用計數為0時,才會真正被系統卸載。
const char *dlerror(void)：當動態鏈接庫操作函數執行失敗時，dlerror可以返回出錯信息，返回值為NULL時表示操作函數執行成功。
在Windows下顯式調用動態庫
應用程序必須進行函數調用以在運行時顯式加載 DLL。為顯式鏈接到 DLL，應用程序必須：
調用 LoadLibrary（或相似的函數）以加載 DLL 和獲取模塊句柄。
調用 GetProcAddress，以獲取指向應用程序要調用的每個導出函數的函數指針。由於應用程序是通過指針調用 DLL 的函數，編譯器不生成外部引用，故無需與導入庫鏈接。
使用完 DLL 後調用 FreeLibrary。
顯式調用C++動態庫註意點
對C++來說，情況稍微復雜。顯式加載一個C++動態庫的困難一部分是因為C++的name mangling；另一部分是因為沒有提供一個合適的API來裝載類，在C++中，您可能要用到庫中的一個類，而這需要創建該類的一個實例，這不容易做到。
name mangling可以通過extern “C”解決。C++有個特定的關鍵字用來聲明采用C binding的函數：extern “C” 。用 extern “C”聲明的函數將使用函數名作符號名，就像C函數一樣。因此，只有非成員函數才能被聲明為extern “C”，並且不能被重載。盡管限制多多，extern “C”函數還是非常有用，因為它們可以象C函數一樣被dlopen動態加載。冠以extern “C”限定符後，並不意味著函數中無法使用C++代碼了，相反，它仍然是一個完全的C++函數，可以使用任何C++特性和各種類型的參數。
另外如何從C++動態庫中獲取類，附上幾篇相關文章，但我並不建議這麽做：
《LoadLibrary調用DLL中的Class》：http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html
《C++ dlopen mini HOWTO》：http://blog.csdn.net/denny_233/article/details/7255673
“顯式”使用C++動態庫中的Class是非常繁瑣和危險的事情，因此能用“隱式”就不要用“顯式”，能靜態就不要用動態。
附件：Linux下庫相關命令
g++(gcc)編譯選項
-shared ：指定生成動態鏈接庫。
-static ：指定生成靜態鏈接庫。
-fPIC ：表示編譯為位置獨立的代碼，用於編譯共享庫。目標文件需要創建成位置無關碼， 念上就是在可執行程序裝載它們的時候，它們可以放在可執行程序的內存裏的任何地方。
-L. ：表示要連接的庫所在的目錄。
-l：指定鏈接時需要的動態庫。編譯器查找動態連接庫時有隱含的命名規則，即在給出的名字前面加上lib，後面加上.a/.so來確定庫的名稱。
-Wall ：生成所有警告信息。
-ggdb ：此選項將盡可能的生成gdb 的可以使用的調試信息。
-g ：編譯器在編譯的時候產生調試信息。
-c ：只激活預處理、編譯和匯編,也就是把程序做成目標文件(.o文件) 。
-Wl,options ：把參數(options)傳遞給鏈接器ld 。如果options 中間有逗號,就將options分成多個選項,然後傳遞給鏈接程序。
nm命令
有時候可能需要查看一個庫中到底有哪些函數，nm命令可以打印出庫中的涉及到的所有符號。庫既可以是靜態的也可以是動態的。nm列出的符號有很多，常見的有三種：
一種是在庫中被調用，但並沒有在庫中定義(表明需要其他庫支持)，用U表示；
一種是庫中定義的函數，用T表示，這是最常見的；
一種是所謂的弱態”符號，它們雖然在庫中被定義，但是可能被其他庫中的同名符號覆蓋，用W表示。
$nm libhello.h
ldd命令
ldd命令可以查看一個可執行程序依賴的共享庫，例如我們編寫的四則運算動態庫依賴下面這些庫：
總結
大家可以對比上一篇文章的靜態庫。動態庫與靜態庫的不同點在於代碼被載入的時刻不同。
靜態庫在程序編譯時會被連接到目標代碼中，程序運行時將不再需要該靜態庫，因此體積較大。
動態庫在程序編譯時並不會被連接到目標代碼中，而是在程序運行是才被載入，因此在程序運行時還需要動態庫存在，因此代碼體積較小。
動態庫的好處是，不同的應用程序如果調用相同的庫，那麽在內存裏只需要有一份該共享庫的實例。帶來好處的同時，也會有問題！如經典的DLL Hell問題，關於如何規避動態庫管理問題，可以自行查找相關資料。
C++編程知識分享：動態庫