老生常谈C语言静态函数库的制作和使用

C语言的函数库是多组经过验证的常用函数的集合，编写C语言程序时使用库函数，既可以提高程序运行效率，又可以提高编程质量，使用方法如#include 和#include。

根据使用库函数时，函数库加载时机的差异，将函数库分为静态函数库和动态函数库，具体差异是：C语言程序如果使用静态函数库的函数，那么整个函数库的代码都会和C语言程序一起编译成可执行代码，程序的体积会膨胀；如果使用动态函数库的函数，则C语言程序只会和函数库文件名以及函数名一起编译成可执行代码（不编译函数代码），运行时去查找函数库文件和函数体，程序的体积基本不变。

简单概括就是，静态函数库是“以空间换时间”，增加程序体积，减少运行时间，如果静态函数库发生改变，则整个程序必须重新编译，因为函数库被整合到了最终可执行代码中;动态函数库则是“以时间换空间”，增加运行时间，减少程序体积，如果动态函数库发生改变，程序无须重新编译，因为函数库没有整合到最终可执行代码中。

Linux中静态函数库表示为”libxxx.a”，windows中后缀名为”.lib”；Linux中动态函数库表示为”libxxx.so”，windows中后缀名为”.dll”。函数库中存放内容包括：（1）函数名称，（2）函数目标代码（二进制），（3）重定位信息（链接需要）等。

1 静态函数库的制作和使用

静态函数库的制作步骤可以用下图来描述，具体包括

(1)编写函数的.c文件(例如add.c、sub.c、mul.c和div.c)

(2)编写Makefile，然后make，实现函数的编译和归档入库

函数的编译：使用gcc –c 只编译不链接函数.c文件，分别生成函数的目标文件（例如add.o、sub.o、mul.o和div.o）。

函数的归档入库：使用ar -rc libxxx.a $(objects) 将目标文件归档入库。

(3)编写头文件(例如ku.h)，声明静态函数库中的所有函数，目的是kumain.c函数#include头文件后，可以调用相应的函数，至此，完成函数库的制作。

1.1 静态函数库的制作示例

示例的内容是建立静态函数库libstatic.a，库中包括add、sub、mul和div函数，然后在kumain.c函数中引用这4个函数，实现两个整数的加减乘除，整个文件的结构是

(1) 编写函数的.c文件

编写4个函数文件add.c、sub.c、mul.c和div.c

// add.c 
float add(int a, int b)
{
 return (a+b);
} 
 // sub.c 
float sub(int a, int b)
{
return (a-b);
} 
 // mul.c 
float mul(int a, int b)
{
return (a*b);
} 
 // div.c 
float div(int a, int b)
{
return (a/b);
} 

(2)编写头文件

// ku.h 
float add(int a, int b);
float sub(int a, int b);
float mul(int a, int b);
float div(int a, int b);

(3)编写Makefile

### Makefile for static func lib 
objects = add.o sub.o mul.o div.o
 
libstatic.a : $(objects)
   ar -rc libstatic.a $(objects)

add.o : add.c
  gcc -c add.c

sub.o : sub.c
  gcc -c sub.c

mul.o : mul.c
  gcc -c mul.c

div.o : div.c
  gcc -c div.c

clean : 
  rm libstatic.a $(objects)

(4)使用make编译.c文件，生成.o文件，归档.o文件到函数库libstatic.a中，完成静态函数库的制作。

1.2 静态函数库的使用

(1)编写kumain.c，调用libstatic.a中的add、sub、mul和div函数

// kumain.c 
#include <stdio.h>
#include "ku.h" 

int main (void)
{
int a,b;
a = 10;
b = 3;

printf("a = %d.\nb = %d.\n",a,b);
printf("static a+b = %f.\n",add(a,b));
printf("static a-b = %f.\n",sub(a,b));
printf("static a*b = %f.\n",mul(a,b));
printf("static a/b = %f.\n",div(a,b));

return 0;

}

(2)使用gcc kumain.c –o kumain.o –L ./ku2 –lstatic 编译kumain.c文件，运行./kumain.o查看运行结果，成功。

1.3 使用nm查看kumain.o中的符号信息

nm命令是列出.o文件，.a文件和.so文件中的符号信息，如符号的值，符号类型及符号名称等。符号通常指定义出的函数，全局变量等。

使用 nm libstatic.a查看符号信息，得到

使用nm kumain.o >label.text查看kumain.o中的符号信息，得到

080484f9 T add
0804a020 B __bss_start
0804a020 b completed.6591
0804a018 D __data_start
0804a018 W data_start
t deregister_tm_clones
0804853c T div
080483e0 t __do_global_dtors_aux
08049f0c t __do_global_dtors_aux_fini_array_entry
0804a01c D __dso_handle
08049f14 d _DYNAMIC
0804a020 D _edata
0804a024 B _end
080485c4 T _fini
080485d8 R _fp_hw
t frame_dummy
08049f08 t __frame_dummy_init_array_entry
080487b8 r __FRAME_END__
0804a000 d _GLOBAL_OFFSET_TABLE_
     w __gmon_start__
080482cc T _init
08049f0c t __init_array_end
08049f08 t __init_array_start
080485dc R _IO_stdin_used
     w _ITM_deregisterTMCloneTable
     w _ITM_registerTMCloneTable
08049f10 d __JCR_END__
08049f10 d __JCR_LIST__
     w _Jv_RegisterClasses
080485c0 T __libc_csu_fini
T __libc_csu_init
     U __libc_start_main@@GLIBC_2.0
0804842d T main
T mul
     U printf@@GLIBC_2.0
080483a0 t register_tm_clones
T _start
0804850f T sub
0804a020 D __TMC_END__
T __x86.get_pc_thunk.bx

1.4 nm命令简介

nm [option(s)] [file(s)]

有用的options:

-A 在每个符号信息的前面打印所在对象文件名称；
-C 输出demangle过了的符号名称；
-D 打印动态符号；
-l 使用对象文件中的调试信息打印出所在源文件及行号；
-n 按照地址/符号值来排序；
-u 打印出那些未定义的符号；

常见的符号类型

A 该符号的值在今后的链接中将不再改变；

B 该符号放在BSS段中，通常是那些未初始化的全局变量；

D 该符号放在普通的数据段中，通常是那些已经初始化的全局变量；

T 该符号放在代码段中，通常是那些全局非静态函数；

U 该符号未定义过，需要自其他对象文件中链接进来；

W 未明确指定的弱链接符号；同链接的其他对象文件中有它的定义就用上，否则就用一个系统特别指定的默认值。