我們知道一個.c 文件經過編譯、鏈接最終可以形成一個可執行文件。

鏈接原理

當我們的程序包含多個文件時，那么這些文件是怎么形成一個目標文件的呢？

這就要涉及到鏈接器。

鏈接器的作用就是將多個目標文件鏈接成一個完整、可加載、可執行的目標文件。其輸入是一組可以重定位的目標文件。

鏈接的主要作用有2個：

符號解析：將目標文件內的引用符號和該符號的定義聯系起來。

將符號定義與存儲器的位置聯系起來，修改對這些符號的引用。

目標文件

典型的目標文件有3種形式

• 可重定位目標文件：這種目標文件后綴通常為.o，這種文件包含已經轉換成機器指令的二進制代碼和數據，但是這種文件還不能直接執行，因為這些指令和數據中往往還引用其他模塊（目標文件）中的符號，這些其他模塊的符號對于本模塊來講還都是未知的，因此這些符號的解析需要鏈接器對這些模塊進行連接，這種操作也稱為“重定位”。
• 可執行目標文件：這種文件同樣包含二進制代碼和數據，區別就是這些文件已經經過鏈接，因此這些文件是可以直接執行的。
• 共享目標文件：這是一種特殊類型的可重定位的目標文件，可以在需要它的程序運行過程或者加載時，動態的加載到內存中運行。這種文件的后綴通常為“.so”, 共享目標文件又稱為“動態庫”文件或者“共享庫”文件。

符號解析

符號解析是鏈接的主要任務之一。只有在正確的解析了符號之后才能更改引用符號的位置，從而完成重定位，生成一個可以被機器直接加載執行的的可執行目標文件。每個可重定位目標文件都有一個符號表。在這個符號表中存儲符號。這些符號分為3類：

本模塊中引用其他模塊所定義的全局符號。

本模塊中定義的全局符號。

本模塊中定義和引用的局部符號。

重定位

在符號解析結束后，每個符號的定義位置及大小都是已知的了。重定位操作只需要將這些符號鏈接起來。在該步驟中，鏈接器需要將所有參與鏈接的目標文件合并，并且為每一個符號分配存儲內容的運行時地址。

重定位分為2個步驟進行：

• 重定位段：該步將所有目標文件中同類型的段合并，生成一個大段。比如，將所有參與鏈接的目標文件的數據段合并，生成一個大的數據段。合并之后，程序中的指令和變量就擁有一個統一并且唯一的運行時地址了。
• 重定位符號引用：由于目標文件中相同的段已經合并，因此程序中對符號的引用位置就都作廢了。這時鏈接器需要修改這些引用符號的地址，使其指向正確的運行時地址。

程序庫

所謂“程序庫”就是包含了一些通用函數的數據和二進制可執行機器碼的文件。這些文件是目標文件的一種，其不能單獨執行。但是若與其他的可執行程序結合起來就可以執行了。

從鏈接方式上區別，程序庫可分為靜態庫和動態庫（共享庫）兩種：

• 靜態庫：是在可執行程序運行前就已經加入到執行代碼中，成為執行程序的一部分來執行的。
• 動態庫：是在執行程序啟動時加載到執行程序中，可以被多個執行程序共享使用。

靜態庫

靜態庫是一些目標代碼的集合。Linux下靜態目標文件一般以.a作為目標文件的后綴。在Linux環境下使用ar命令來創建一個靜態庫。靜態庫的優點就是在生成時已經編譯成可重定位的目標文件，節省了編譯時間，并且在編譯時把代碼復制到可執行代碼段中，這樣可執行程序就可以單獨直接運行，但是缺點也是顯而易見的，就是可執行文件可能會變得很臃腫。

靜態庫的創建

本文以四則運算來創建一個靜態庫，該靜態庫中包含四個函數：加、減、乘、除。

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

生成一個可重定位的目標文件。

# gcc -c static_lib.c

在Linux下使用 ar 命令創建一個靜態庫，或者將目標文件加入到一個已經存在的靜態庫中。其使用方法如下：

ar rcs 靜態庫名 目標文件1 目標文件2 ... 目標文件n

該命令表示將目標文件1~n加入到指定的靜態庫中。若該靜態庫不存在，則創建靜態庫文件，并將庫文件的擴展名命名為.a， 其中rcs這三個參數分別表示：把列表中的目標文件加入到靜態庫中（r）；若指定的靜態庫不存在，則創建該庫文件（c）；更新靜態庫文件的索引，使之包含新加入的目標文件的內容（s）。

使用生成的 static_lib.o 目標文件創建一個靜態庫 static_lib.a

# ar rcs static_lib.a static_lib.o
查看生成的靜態庫文件
# ls
static_lib.a static_lib.c static_lib.o

靜態庫的使用

創建的靜態庫需要鏈接到應用程序中才能使用，為了方便引用，我們創建一個頭文件，使用時把該頭文件包含到應用程序中。

//static_lib.h
extern int add(int a, int b);
extern int sub(int a, int b);
extern int mul(int a, int b);
extern int div(int a, int b);

編寫應用程序

//test.c#include <stdio.h>
#include "static_lib.h"
int main()
{
int a = 8, b = 4;
printf("the add : %d\n", add(a, b));
printf("the sub : %d\n", sub(a, b));
printf("the mul : %d\n", mul(a, b));
printf("the div : %d\n", div(a, b));
}

編譯

# gcc test.c -o test -L. static_lib.a
或者
#gcc test.c -o test ./static_lib.a運行
# ./test
the add ：12
the sub ：4
the mul ：32
the div ：2

動態庫

動態庫又稱為共享庫或者動態鏈接庫。在 Linux 環境下為 so 文件。動態庫是在程序運行時加載的。當一個應用程序裝載了一個動態庫后，其他應用程序仍可以裝載同一個動態庫。這個被多個進程同時使用的動態庫在內存中只有一個副本，因此動態庫易于程序模塊的更新，更新庫并不影響應用程序使用舊的、非向后兼容的版本。

創建動態庫

我們依然使用以四則運算來創建一個動態庫，該動態庫中包含四個函數：加、減、乘、除。

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

Linux 下使用 gcc 創建一個動態庫。由于動態庫可以被多個進程共享加載，所以需要生成位置無關的目標文件。因此需要使用 gcc 編譯器的 -fPIC 選項，該選項用于生成位置無關的代碼。除了使用 -fPIC 選項，還需要使用 -shared 選項，該選項將位置無關的代碼制作為動態庫。

創建動態庫的方法如下：

# gcc -shared -fPIC -o share_lib.so share_lib.c
# ls
share_lib.so share_lib.c

動態庫的使用

為了使應用程序可以正確的引用該庫中的全局符號，需要制作一個包含該動態庫文件中的全局符號聲明的頭文件。

//share_lib.h
extern int add(int a, int b);
extern int sub(int a, int b);
extern int mul(int a, int b);
extern int div(int a, int b);

編寫一個應用程序使用動態庫

//main.c#include <stdio.h>
#include "share_lib.h"
int main()
{
int a = 8, b = 4;
printf("the add : %d\n", add(a, b));
printf("the sub : %d\n", sub(a, b));
printf("the mul : %d\n", mul(a, b));
printf("the div : %d\n", div(a, b));
}

運行

# gcc main.c ./share_lib.so -o main
# ./main
the add ：12
the sub ：4
the mul ：32
the div ：2