[動態庫]深刻分析Windows和Linux動態庫應用異同

摘要：動態連接庫技術實現和設計程序經常使用的技術，在Windows和Linux系統中都有動態庫的概念，採用動態庫能夠有效的減小程序大小，節省空間，提升效率，增長程序的可擴展性，便於模塊化管理。

但不一樣操做系統的動態庫因爲格式 不一樣，在須要不一樣操做系統調用時須要進行動態庫程序移植。本文分析和比較了兩種操做系統動態庫技術，並給出了將Visual C++編制的動態庫移植到Linux上的方法和經驗。

1、引言

動態庫（Dynamic Link Library abbr，DLL）技術是程序設計中常常採用的技術。其目的減小程序的大小，節省空間，提升效率，具備很高的靈活性。

採用動態庫技術對於升級軟件版本更加容易。與靜態庫（Static Link Library）不一樣，動態庫裏面的函數不是執行程序自己的一部分，而是根據執行須要按需載入，其執行代碼能夠同時在多個程序中共享。

在Windows和Linux操做系統中，均可採用這種方式進行軟件設計，但他們的調用方式以及程序編制方式不盡相同。本文首先分析了在這兩種操做系統中一般採用的動態庫調用方法以及程序編制方式，而後分析比較了這兩種方式的不一樣之處，最後根據實際移植程序經驗，介紹了將VC++編制的Windows動態庫移植到Linux下的方法。

2、動態庫技術

2.1 Windows動態庫技術

動態連接庫是實現Windows應用程序共享資源、節省內存空間、提升使用效率的一個重要技術手段。常見的動態庫包含外部函數和資源，也有一些動態庫只包含資源，如Windows字體資源文件，稱之爲資源動態連接庫。一般動態庫以.dll，.drv、.fon等做爲後綴。

相應的windows靜態庫一般以.lib結尾，Windows本身就將一些主要的系統功能以動態庫模塊的形式實現。

Windows動態庫在運行時被系統加載到進程的虛擬空間中，使用從調用進程的虛擬地址空間分配的內存，成爲調用進程的一部分。DLL也只能被該進程的線程所訪問。DLL的句柄能夠被調用進程使用；調用進程的句柄能夠被DLL使用。

DLL 模塊中包含各類導出函數，用於向外界提供服務。DLL能夠有本身的數據段，但沒有本身的堆棧，使用與調用它的應用程序相同的堆棧模式；一個DLL在內存中 只有一個實例；DLL實現了代碼封裝性；DLL的編制與具體的編程語言及編譯器無關，能夠經過DLL來實現混合語言編程。DLL函數中的代碼所建立的任何 對象（包括變量）都歸調用它的線程或進程全部。

根據調用方式的不一樣，對動態庫的調用可分爲靜態調用方式和動態調用方式。

(1) 靜態調用，也稱爲隱式調用，由編譯系統完成對DLL的加載和應用程序結束時DLL卸載的編碼（Windows系統負責對DLL調用次數的計數），調用方式 簡單，可以知足一般的要求。一般採用的調用方式是把產生動態鏈接庫時產生的.LIB文件加入到應用程序的工程中，想使用DLL中的函數時，只須在源文件中 聲明一下。

LIB文件包含了每個DLL導出函數的符號名和可選擇的標識號以及DLL文件名，不含有實際的代碼。Lib文件包含的信息進入到生成的應用程序中，被調用的DLL文件會在應用程序加載時同時加載在到內存中。

(2)動態調用，即顯式調用方式，是由編程者用API函數加載和卸載DLL來達到調用DLL的目的，比較複雜，但能更加有效地使用內存，是編制大型應用程序時的重要方式。在Windows系統中，與動態庫調用有關的函數包括：

①LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動態庫。

②GetProcAddress，獲取要引入的函數，將符號名或標識號轉換爲DLL內部地址。

③FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動態連接庫。

在 windows中建立動態庫也很是方便和簡單。在Visual C++中，能夠建立不用MFC而直接用C語言寫的DLL程序，也能夠建立基於MFC類庫的DLL程序。每個DLL必須有一個入口點，在VC++ 中，DllMain是一個缺省的入口函數。DllMain負責初始化(Initialization)和結束(Termination)工做。

動態庫輸出函數也有兩種約定，分別是基於調用約定和名字修飾約定。DLL程序定義的函數分爲內部函數和導出函數，動態庫導出的函數供其它程序模塊調用。一般能夠有下面幾種方法導出函數：

①採用模塊定義文件的EXPORT部分指定要輸入的函數或者變量。

②使用MFC提供的修飾符號_declspec(dllexport)。

③以命令行方式，採用/EXPORT命令行輸出有關函數。

在windows動態庫中，有時須要編寫模塊定義文件(.DEF)，它是用於描述DLL屬性的模塊語句組成的文本文件。

2.2 Linux共享對象技術

在 Linux操做系統中，採用了不少共享對象技術（Shared Object），雖然它和Windows裏的動態庫相對應，但它並不稱爲動態庫。相應的共享對象文件以.so做爲後綴，爲了方便，在本文中，對該概念不進 行專門區分。Linux系統的/lib以及標準圖形界面的/usr/X11R6/lib等目錄裏面，就有許多以so結尾的共享對象。

同 樣，在Linux下，也有靜態函數庫這種調用方式，相應的後綴以.a結束。Linux採用該共享對象技術以方便程序間共享，節省程序佔有空間，增長程序的 可擴展性和靈活性。Linux還能夠經過LD-PRELOAD變量讓開發人員可使用本身的程序庫中的模塊來替換系統模塊。

同 Windows系統同樣，在Linux中建立和使用動態庫是比較容易的事情，在編譯函數庫源程序時加上-shared選項便可，這樣所生成的執行程序就是 動態連接庫。一般這樣的程序以so爲後綴，在Linux動態庫程序設計過程當中，一般流程是編寫用戶的接口文件，一般是.h文件，編寫實際的函數文件， 以.c或.cpp爲後綴，再編寫makefile文件。對於較小的動態庫程序能夠不用如此，但這樣設計使程序更加合理。

編譯生成動態鏈接庫後，進而能夠在程序中進行調用。在Linux中，能夠採用多種調用方式，同Windows的系統目錄(..\system32等)同樣，能夠將動態庫文件拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄裏面創建符號鏈接，以便全部用戶使用。

下面介紹Linux調用動態庫常用的函數，但在使用動態庫時，源程序必須包含dlfcn.h頭文件，該文件定義調用動態連接庫的函數的原型。

(1)_打開動態連接庫：dlopen，函數原型void *dlopen (const char *filename, int flag); dlopen用於打開指定名字(filename)的動態連接庫，並返回操做句柄。

(2)取函數執行地址：dlsym，函數原型爲: void *dlsym(void *handle, char *symbol); dlsym根據動態連接庫操做句柄(handle)與符號(symbol)，返回符號對應的函數的執行代碼地址。

(3)關閉動態連接庫：dlclose，函數原型爲: int dlclose (void *handle); dlclose用於關閉指定句柄的動態連接庫，只有當此動態連接庫的使用計數爲時,纔會真正被系統卸載。

(4)動態庫錯誤函數：dlerror，函數原型爲: const char *dlerror(void); 當動態連接庫操做函數執行失敗時，dlerror能夠返回出錯信息，返回值爲NULL時表示操做函數執行成功。

在取到函數執行地址後，就能夠在動態庫的使用程序裏面根據動態庫提供的函數接口聲明調用動態庫裏面的函數。在編寫調用動態庫的程序的makefile文件時，須要加入編譯選項-rdynamic和-ldl。

除 了採用這種方式編寫和調用動態庫以外，Linux操做系統也提供了一種更爲方便的動態庫調用方式，也方便了其它程序調用，這種方式與Windows系統的 隱式連接相似。其動態庫命名方式爲「lib*.so.*」。在這個命名方式中，第一個*表示動態連接庫的庫名，第二個*一般表示該動態庫的版本號，也能夠 沒有版本號。

在這種調用方式中，須要維護動態連接庫的配置文件/etc/ld.so.conf來讓動態連接庫爲系統所使用，一般將動態鏈 接庫所在目錄名追加到動態連接庫配置文件中。如具備X window窗口系統發行版該文件中都具備/usr/X11R6/lib，它指向X window窗口系統的動態連接庫所在目錄。

爲了使動態連接庫能爲系統所共享，還需運行動態連接庫的管理命令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動態庫時，能夠在gcc採用 –l或-L選項或直接引用所需的動態連接庫方式進行編譯。在Linux裏面，能夠採用ldd命令來檢查程序依賴共享庫。

3、兩種系統動態庫比較分析

Windows和Linux採用動態連接庫技術目的是基本一致的，但因爲操做系統的不一樣，他們在許多方面仍是不盡相同，下面從如下幾個方面進行闡述。

(1) 動態庫程序編寫，在Windows系統下的執行文件格式是PE格式，動態庫須要一個DllMain函數做爲初始化的人口，一般在導出函數的聲明時須要有 _declspec(dllexport)關鍵字。Linux下的gcc編譯的執行文件默認是ELF格式，不須要初始化入口，亦不須要到函數作特別聲明， 編寫比較方便。

(2)動態庫編譯，在windows系統下面，有方便的調試編譯環境，一般不用本身去編寫makefile文件，但在linux下面，須要本身動手去編寫makefile文件，所以，必須掌握必定的makefile編寫技巧，另外，一般Linux編譯規則相對嚴格。

(3)動態庫調用方面，Windows和Linux對其下編制的動態庫均可以採用顯式調用或隱式調用，但具體的調用方式也不盡相同。

(4)動態庫輸出函數查看，在Windows中，有許多工具和軟件能夠進行查看DLL中所輸出的函數，例如命令行方式的dumpbin以及VC++工具中的DEPENDS程序。在Linux系統中一般採用nm來查看輸出函數，也可使用ldd查看程序隱式連接的共享對象文件。

(5)對操做系統的依賴，這兩種動態庫運行依賴於各自的操做系統，不能跨平臺使用。所以，對於實現相同功能的動態庫，必須爲兩種不一樣的操做系統提供不一樣的動態庫版本。

4、動態庫移植方法

若是要編制在兩個系統中都能使用的動態連接庫，一般會先選擇在Windows的VC++提供的調試環境中完成初始的開發，畢竟VC++提供的圖形化編輯和調試界面比vi和gcc方便許多。完成測試以後，再進行動態庫的程序移植。

一般gcc默認的編譯規則比VC++默認的編譯規則嚴格，即便在VC++下面沒有任何警告錯誤的程序在gcc調試中也會出現許多警告錯誤，能夠在gcc中採用-w選項關閉警告錯誤。

下面給出程序移植須要遵循的規則以及經驗。

(1) 儘可能不要改變原有動態庫頭文件的順序。一般在C/C++語言中，頭文件的順序有至關的關係。另外雖然C/C++語言區分大小寫，但在包含頭文件 時，Linux必須與頭文件的大小寫相同，由於ext2文件系統對文件名是大小寫敏感，不然不能正確編譯，而在Windows下面，頭文件大小寫能夠正確 編譯。

(2)不一樣系統獨有的頭文件。在Windows系統中，一般會包括windows.h頭文件，若是調用底層的通訊函數，則會包含 winsock..h頭文件。所以在移植到Linux系統時，要註釋掉這些Windows系統獨有的頭文件以及一些windows系統的常量定義說明，增 加Linux都底層通訊的支持的頭文件等。

(3)數據類型。VC++具備許多獨有的數據類型，如 __int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支持它們。一般作法是須要將windows.h和basetypes.h中對 這些數據進行定義的語句複製到一個頭文件中，再在Linux中包含這個頭文件。例如將套接字的類型爲SOCKET改成int。

(4)關鍵字。VC++中具備許多標準C中所沒有采用的關鍵字，如BOOL，BYTE，DWORD，__asm等，一般在爲了移植方便，儘可能不使用它們，若是實在沒法避免能夠採用#ifdef 和#endif爲LINUX和WINDOWS編寫兩個版本。

(5)函數原型的修改。一般若是採用標準的C/C++語言編寫的動態庫，基本上不用再從新編寫函數，但對於系統調用函數，因爲兩種系統的區別，須要改變函數的調用方式等，如在Linux編制的網絡通訊動態庫中，用close()函數代替windows操做系統下的closesocket()函數來關閉套接字。另外在Linux下沒有文件句柄，要打開文件可用open和fopen函數，具體這兩個函數的用法可參考文獻[2]。

(6)makefile 的編寫。在windows下面一般由VC++編譯器來負責調試，但gcc須要本身動手編寫makefile文件，也能夠參照VC++生成的 makefile文件。對於動態庫移植，編譯動態庫時須要加入-shared選項。對於採用數學函數，如冪級數的程序，在調用動態庫是，須要加入-lm。

(7)其它一些須要注意的地方

①程序設計結構分析，對於移植它人編寫的動態庫程序，程序結構分析是必不可少的步驟，一般在動態庫程序中，不會包含界面等操做，因此相對容易一些。

②在Linux中，對文件或目錄的權限分爲擁有者、羣組、其它。因此在存取文件時，要注意對文件是讀仍是寫操做，若是是對文件進行寫操做，要注意修改文件或目錄的權限，不然沒法對文件進行寫。

③ 指針的使用，定義一個指針只給它分配四個字節的內存，若是要對指針所指向的變量賦值，必須用malloc函數爲它分配內存或不把它定義爲指針而定義爲變量 便可，這點在linux下面比windows編譯嚴格。一樣結構不能在函數中傳值，若是要在函數中進行結構傳值，必須把函數中的結構定義爲結構指針。

④路徑標識符，在Linux下是「/」，在Windows下是「\」，注意windows和Linux的對動態庫搜索路徑的不一樣。

⑤編程和調試技巧方面。對不一樣的調試環境有不一樣的調試技巧，在這裏很少敘述。

5、結束語

本 文系統分析了windows和Linux動態庫實現和使用方式，從程序編寫、編譯、調用以及對操做系統依賴等方面綜合分析比較了這兩種調用方式的不一樣之 處，根據實際程序移植經驗，給出了將VC++編制的Windows動態庫移植到Linux下的方法以及須要注意的問題，同時並給出了程序示例片段，實際在 程序移植過程當中，因爲系統的設計等方面，可能移植起來須要注意的方面遠比上面複雜，本文經過總結概括進而爲不一樣操做系統程序移植提供了有意的經驗和技巧。