Linux C語言Shared Library共享庫細節探究

開發中遇到一個問題，比如有一個類庫A，被類庫B引用，類庫B和類庫A都被程序C引用。類庫A中有一個全局變量G，要求同一個進程中使用的是同一個全局變量G。

雖然看起來很簡單，但是實際探究下來還有不少坑。

如果不是類庫

如果A B都不是類庫，而是直接引入源碼編譯，理論上比較方便解決。

示例一

pre.h

定義了全局變量a

#ifndef UNTITLED11_PRE_H
#define UNTITLED11_PRE_H
int a;
#endif //UNTITLED11_PRE_H

test.h

#ifndef UNTITLED11_TEST_H
#define UNTITLED11_TEST_H
#include <stdlib.h>

void ftest();
#endif //UNTITLED11_TEST_H

test.c

相當於另一個模塊引用了全局變量

#include <stdio.h>
#include "pre.h"
#include "test.h"
#include <stdlib.h>
void ftest()
{
    a = 333;
}

main.c

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include "test.h"
#include "pre.h"
int main()
{
    a = 222;
    printf("main[%d]\n", a);
    ftest();
    printf("main[%d]\n", a);
    return 0;
}

輸出結果

main[222]
main[333]

可以看出不同模塊雖然都引入了pre.h，都有int a，但是使用的是同一個。

示例二

如果把上面pre.h中的int a;改成int a = 0;，編譯就會報錯

multiple definition of `a';

這是爲什麼呢？實際上示例一隻是用了一個投巧的辦法。因爲int a;不能確定是聲明還是定義，當遇到第一個賦值是，比如a = 222;，這時候才知道int a;是聲明，只是告訴大家有這麼一個變量，但是還沒有爲其分配空間，a = 222;才真正創建了這個變量，後面的a = 333;是賦值。所以使用的是同一個。

示例一的用法與使用extern是一致的，如下

示例三

把pre.h中的語句改成extern int a;
在main.c的main函數前添加int a = 0;

這個結果與示例一是一致的。就是大家都引用pre.h，但是extern int a;表示只是聲明瞭這個變量，並沒有實例化，a的實例化到其他文件找，我們在main.c中調用int a = 0;進行了實例化，所以當test.c中使用a的時候也會到其他文件找，也找到的是main.c中的a，所以是同一個。

使用類庫

如果A B是類庫，就比較麻煩了，因爲類庫與一個單獨的程序沒有區別，是獨立的，所以就會遇到下面的問題。

示例一

在A的頭文件定義全局變量，不管是int g_val;還是int g_val = 0;編譯鏈接是都會遇到multiple definition問題，爲什麼呢？

那是因爲，當編譯A時，不管是如何寫，A中肯定用到了g_val，當第一次用g_val時，g_val就已經定義了，同樣B中也是一樣。所以當B再次鏈接A或者C鏈接A和B時，就會有兩個定義的g_val，所以就出現了multiple definition

示例二

在A的頭文件定義靜態變量。static int g_val;
這樣雖然不會報錯了，但是有另一個問題，就是大家的都相互獨立，也就是說使用的是多份g_val。

我們直到static除了設置靜態變量，讓數據可以一直存在，還有一個作用，就是限制作用範圍到當前文件。所以當編譯完A後，A中有一個g_val，編譯完B，B中有一個g_val，同理C中也有一個g_val，並且是獨立的。這樣雖然編譯成功，但是沒有達到我們的目的，我們要求是使用同一個g_val。

示例三

在A的頭文件聲明extern int g_val;
在A的源碼定義int g_val = 0;
A編譯成共享庫，其他類庫也是共享庫。
這樣就可以解決我們的問題。

因爲共享庫只會在第一次調用的時候加載一次，同一個進程，也只會在第一次加載的時候映射一次靜態變量和全局變量。也就是說，雖然A B C都有全局變量G，但是隻會在第一次調用的時候創建一個G，後續都使用的是同一個，這個與一開始直接把所有文件一起編譯一樣，只不過不是在main.c中定義了int a = 0;而是爲pre.h創建一個pre.c，在pre.c中定義了int a = 0;

shared library共享庫與static library靜態庫區別

提到shared library，我們都會對比static library。

主要的區別實際上可以從其初衷來看：

• static library最早被髮明出來，因爲很多模塊並不經常修改，每次都編譯很麻煩，可以先把這些模塊編譯成static library，再編譯其他模塊時，如果需要，就把static library相關的代碼加入到其他模塊中。
• shared library是爲了解決，有寫模塊，經常被使用，或者要給其他人用，可以編譯成shared library，當程序運行時，如果執行到shared library的代碼，就把shared library加載進來，調用對應的二進制模塊。節省了硬盤和內存空間。
• static library相當於一個文件包，把其他模塊編譯生成的.o文件打包成一個.a(static library)，當使用是，就相當於編譯過程中把.o編譯成一個二進制一樣。
• 由於static library是編譯到其他模塊中的，如果接口沒變，但是實現方式做了修改（比如修復bug），那麼所有使用到這個static library的模塊都需要重新編譯。
• shared library只會把一些查找對應接口的信息放到程序中，並不會把整個庫放入到鏈接庫/程序中。當系統中第一個程序使用某個share library時，系統才把這個shared library從硬盤加載到內存。並且當有第二個程序使用這個shared library時，會使用內存中的同一份數據，節省了內存。
• 共享庫都是編譯一份，放到指定路徑，不會存在鏈接程序中，節省了硬盤。
• 雖然多個進程使用同一份內存中的共享庫，但是其靜態數據和全局數據是相互獨立的，會重新映射。這也是合理的，不然大家都可以相互修改數據，簡直亂套了。
• 由於鏈接程序只保存了共享庫的接口信息，並沒有載入其全部實現的二機制數據，所以如果接口信息沒有變更，可以隨時替換共享庫，而鏈接程序不需要重新編譯。
  The Linux Programming Interface