Statische und Shared Libraries

Eine Bibliothek ist ein Paket kompilierter Objektdateien, das Sie in mehreren Programmen wiederverwenden können, ohne den Quellcode jedes Mal neu zu kompilieren.

In C gibt es zwei Arten:

• Statische Bibliotheken (.a), die beim Linken in die ausführbare Datei kopiert werden
• Gemeinsam genutzte Bibliotheken (.so), die zur Laufzeit geladen werden

Beide Arten beginnen mit Objektdateien. Kompilieren Sie Ihre Quellen wie gewohnt mit -c.

Diese .o-Dateien sind das Ausgangsmaterial, das der Archivierer oder Linker zu einem Paket zusammenstellt.

Der Archivierer ar fasst Objektdateien zu einem .a-Archiv zusammen. Der übliche Name lautet lib<name>.a.

Die Optionen bedeuten: r einfügen, c bei Bedarf erstellen, s einen Index schreiben.

Verwenden Sie beim Linken -L für das Suchverzeichnis und -l für den Bibliotheksnamen. Lassen Sie dabei das Präfix lib und das Suffix .a weg.

Der benötigte Code wird in die ausführbare Datei kopiert, die anschließend eigenständig ausgeführt werden kann.

Statisches Linken ist einfach und in sich abgeschlossen:

• Die ausführbare Datei enthält alles und hat keine Laufzeitabhängigkeiten
• Da jedes Programm eine eigene Kopie enthält, werden die Binärdateien größer
• Um einen Fehler in einer Bibliothek zu beheben, müssen Sie jedes Programm, das sie verwendet, erneut linken

Gemeinsam genutzte Bibliotheken können an jeder Speicheradresse geladen werden. Deshalb muss ihr Code positionsunabhängig sein. Kompilieren Sie mit -fPIC.

Dadurch wird Code erzeugt, der relative statt fest codierter Adressen verwendet.

Erstellen Sie die .so-Datei mit -shared. Üblicherweise lautet der Name lib<name>.so.

Im Gegensatz zu einem statischen Archiv ist dies ein tatsächlich gelinktes Objekt, das der Loader zur Laufzeit in den Speicher abbilden kann.

Das Linken sieht genauso aus wie beim statischen Fall. Der Unterschied besteht darin, dass der Code nicht kopiert wird, sondern nur ein Verweis aufgezeichnet wird.

Die ausführbare Datei bleibt klein, ist nun aber darauf angewiesen, libmymath.so zur Laufzeit zu finden.

Beim Start durchsucht der dynamische Loader die Standardpfade nach der .so-Datei. Eine Bibliothek im aktuellen Verzeichnis gehört nicht zu diesen Pfaden.

Weisen Sie den Loader für Testzwecke mit LD_LIBRARY_PATH (Linux) auf dieses Verzeichnis hin.

Gemeinsam genutzte Bibliotheken tauschen Einfachheit gegen Flexibilität:

• Eine Kopie im Speicher wird von mehreren Programmen gemeinsam genutzt, wodurch RAM und Festplattenspeicher gespart werden
• Eine Fehlerbehebung in der .so-Datei kommt allen Programmen zugute, ohne dass diese erneut gelinkt werden müssen
• Das Programm startet jedoch nicht, wenn die .so-Datei fehlt oder inkompatibel ist

Dieses letzte Risiko wird klassischerweise als „dependency hell“ bezeichnet.

Mit zwei Werkzeugen können Sie sehen, gegen welche Bibliotheken eine Binärdatei gelinkt ist:

• ldd app listet die gemeinsam genutzten Bibliotheken auf, die der Loader zur Laufzeit benötigt
• nm libmymath.a listet die Symbole (Funktionen) innerhalb einer Bibliothek auf

Wenn ldd 'not found' anzeigt, kann der Loader die betreffende .so-Datei in seinen Suchpfaden nicht finden.

Ordnen Sie die Option dem jeweiligen Ziel zu.

Sie können jetzt beide Arten von Bibliotheken erstellen und linken:

• Statisch: ar rcs libX.a *.o; der Code wird in die Binärdatei kopiert, die dadurch in sich abgeschlossen, aber größer ist
• Gemeinsam genutzt: mit -fPIC kompilieren, mit -shared erstellen; der Code wird zur Laufzeit geladen
• Beide werden mit -L und -l gelinkt; gemeinsam genutzte Bibliotheken benötigen einen Laufzeit-Suchpfad wie LD_LIBRARY_PATH

Damit verfügen Sie jetzt über die vollständige Toolchain vom Präprozessor bis zum Build.