Библиотеки

Термин «библиотека» может иметь несколько значений в зависимости от контекста

1. Библиотека как файл (library) – файл с скомпилированным кодом (функций, классов, переменных и других сущностей). Библиотеки разделяются на динамические и статические.

2. Библиотека как набор готового кода – набор файлов библиотек и вспомогательных файлов (заголовочных, ресурсов и пр.). Иногда выступает синонимом "фреймворку" (framework).

➕ Упрощение разработки: не нужно писать код заново, можно использовать готовые решения.

➕ Сокращение времени сборки проекта: код библиотеки уже скомпилирован.

Далее пойдёт описание библиотек как файла. Пример библиотеки как набора готового кода можно посмотреть в разделе подключение внешних библиотек.

Статическая библиотека

Статическая библиотека – объектный файл, код из которого выборочно или полностью вставляется в программу на этапе линковки.

Код, подключенный из статической библиотеки, становится частью программы – для использования кода не нужно устанавливать еще какой-либо файл. Линковщик выполняет соединение объектных файлов библиотек и объектных файлов вашей программы во время создания исполняемого файла.

Расширения объектных файлов статических библиотек в разных ОС.

Расширение	ОС
.a	UNIX
.lib	Windows

➕ все необходимые функции включаются в один исполняемый файл.

➖ исполняемый файл занимает больше места на диске и в памяти, если присоединяет код из объектных библиотечных файлов;

➖ при обнаружении ошибок в библиотеке требуется пересборка всех программ, использующих библиотеку.

Сборка статической библиотеки

Windows devcmd/devpwsh

Developer command prompt/Developer PowerShell x64

clang -c -o lib_source.obj lib_source.c
lib /subsystem:console /machine:x64 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

Developer command prompt/Developer PowerShell x86

clang -c -o lib_source.obj lib_source.c -m32
lib /subsystem:console /machine:x86 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

Windows pwsh

PowerShell x64

& "C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 2022\Common7\Tools\Launch-VsDevShell.ps1" -Arch amd64 -HostArch amd64
clang -c -o lib_source.obj lib_source.c
lib /subsystem:console /machine:x64 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

PowerShell x86

& "C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 2022\Common7\Tools\Launch-VsDevShell.ps1" -Arch x86 -HostArch x86
clang -c -o lib_source.obj lib_source.c -m32
lib /subsystem:console /machine:x86 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

Windows cmd

cmd x64

"C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 2022\Common7\Tools\VsDevCmd.bat" -startdir=auto -arch=x64 -host_arch=x64
clang -c -o lib_source.obj lib_source.c
lib /subsystem:console /machine:x64 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

cmd x86

"C:\Program Files\Microsoft Visual Studio 2022\Common7\Tools\VsDevCmd.bat" -startdir=auto -arch=x86 -host_arch=x86
clang -c -o lib_source.obj lib_source.c -m32
lib /subsystem:console /machine:x86 /out:my_static_lib.lib lib_source.obj

Unix

shell

clang -c -o lib_source.o lib_source.c -fPIC
ar r library.a lib_source.o

-fPIC – Position-independent code

Сборка со статической библиотекой

v1

Сборка с библиотекой (общепринятый вариант ключей компиляции)

clang -o my.exe my_source.c -L"path/to/dir_with_lib_files" -lmy_static_lib

v2

Сборка с библиотекой (более новый вариант)

clang my_source.c -L "path/to/dir_with_lib_files" -l my_static_lib.lib

Динамическая библиотека

Динамические библиотеки не является отдельными исполняемыми файлами, а выполняются в контексте вызывающих их программ. ОС загружает динамическую библиотеку в область памяти программы либо при загрузке приложения (неявная компоновка), либо по запросу во время выполнения (явная компоновка).

Подробнее

Динамическая компоновка – возможность операционной системы, позволяющей исполняемому файлу вызывать функции или использовать ресурсы, хранящиеся в отдельном файле. Эти функции и ресурсы можно компилировать и развертывать отдельно от использующих их исполняемых файлов.

Динамические библиотеки также упрощают совместное использование функций и ресурсов различными исполняемыми файлами. Несколько приложений могут осуществлять одновременный доступ к содержимому одной копии динамической библиотеки в памяти.

Расширения имен файлов динамических библиотек в разных ОС.

Расширение	Расшифровка	ОС
.so	shared object	Unix
.dll	dynamic link library	Windows
.dylib	dynamic library	MacOS

❗ [Windows] После успешной компиляции вы получите файлы .dll и .lib. Файл с расширением lib – библиотека импорта, которая требуется при статическом подключении динамической библиотеки.

➕ экономия памяти и сокращение времени на подкачку за счёт использования одной библиотеки несколькими процессами;

➕ возможность исправления ошибок (достаточно заменить файл библиотеки и перезапустить работающие программы) без изменения кода основной программы;

➕ с помощью явной компоновки можно обнаруживать и загружать динамические библиотеки во время выполнения. Например, это могут быть расширения приложения, которые добавляют новые функциональные возможности без повторной сборки и развертывания приложения;

➕ динамическая компоновка упрощает поддержку приложений, написанных на разных языках программирования, вызывающих одну и ту же функцию в динамической библиотеке при условии соблюдения соглашения о ее вызове.

➖ возможность нарушения API – при внесении изменений в библиотеку существующие программы могут перестать работать, став несовместимыми по интерфейсу;

➖ конфликт версий динамических библиотек – разные программы могут нуждаться в разных версиях библиотеки;

➖ доступность одинаковых функций по одинаковым адресам в разных процессах – упрощает эксплуатацию уязвимостей.

➖ динамическая библиотека – системозависима.

Импорт и экспорт

Импортировать открытые символы в приложение или экспортировать функции из динамической библиотеки можно следующим образом:

Windows

Требуется явно специфицировать, что функция/структура будут экспортированы:

__declspec(dllexport) int my_func(int a) { ... }

Импорт открытых символов и объектов библиотеки:

__declspec(dllimport) int my_func(int a);

Unix

Все символы по умолчанию видны пользователю разделяемой библиотеки. То есть все объекты и функции экпортируются (если не static).

Можно изменить это поведение, задав ключ компиляции и аттрибуты функциям:

clang -fvisibility=hidden ...

__attribute__((visibility("default"))) int my_func(int a) { ... }

[Windows] DEF-файлы можно использовать для импорта в приложение или экспорта из библиотеки DLL.

Сборка динамической библиотеки

clang -shared my_lib_src.c -o my_lib.dll

[Windows stdout]

Creating library my_lib.lib and object my_lib.exp

Подключение динамических библиотек

Прежде чем вызывать подпрограммы, включённые в динамическую библиотеку, их надо импортировать в программу. Возможны следующие варианты:

1. Статическая линковка.

2. Загрузка библиотеки при помощи системных вызовов.

Статическая линковка динамической библиотеки

После загрузки программы ОС начинает поиск dll:

• директория, из которой загружено приложение, требующее dll-библиотеку;

• текущая директория;

• системные пути;

• пути из переменной PATH.

После загрузки запускается сам исполняемый файл.

❗ Без найденных на старте dll и нужных импортов программа в принципе не запуститься.

❗ Нужна библиотека импорта на этапе линковки.

Загрузка динамической библиотеки в процессе выполнения программы

При динамической компоновке включаются только те сведения, которые позволяют ОС найти и загрузить динамическую библиотеку, содержащую элемент данных или функцию, во время выполнения.

Доступ к подпрограммам динамической библиотеки можно получить при помощи системных вызовов (например, WinAPI: LoadLibrary, FreeLibrary и GetProcAddress).

Процесс загрузки DLL

При сборке исполняемого файла, который вызывает динамическую библиотеку, компоновщик использует экспортированные символы в библиотеке импорта, чтобы сохранить эти сведения для загрузчика Windows. Когда загрузчик загружает динамическую библиотеку, она сопоставляется с областью памяти приложения. Для выполнения операций инициализации, необходимых динамической библиотеке, вызывается специальная функция DllMain из динамической библиотеки (если она имеется).

➕ позволяет уменьшать требуемое количество памяти;

➕ появляется возможность запускать приложение, даже если какие-то библиотеки отсутствуют.

➖ нужно вручную в коде прописывать загрузку/выгрузку библиотек и поиск нужных функций;

➖ компилятор не может проверить типы и количество передаваемых параметров в загружаемые таким образом функции.

Рассмотрим следующий пример:

• mydll.c – исходник динамической библиотеки, содержащий 2 функции – одна экспортируется, другая является внутренней для этой библиотеки;

• main.c – исходник программы-таргета, в которой будут использоваться функции из библиотеки;

• mydll.dll – файл динамической библиотеки, собранной из mydll.c.

mydll.c

unsigned powi(int x, unsigned y)
{
  int z = 1;
  for (unsigned i = 0; i < y; i++)
    z *= x;
  return z;
}

__declspec(dllexport) unsigned powu(unsigned x, unsigned y)
{
  unsigned z = 1;
  for (unsigned i = 0; i < y; i++)
    z *= x;
  return z;
}

main.c

#include <Windows.h>
#include <stdio.h>

int main(void)
{
  HMODULE hdll = LoadLibraryA("mydll.dll");
  if (!hdll)
  {
    fprintf(stderr, "!load mydll.dll");
    return -1;
  }
  unsigned (*powu)(unsigned x, unsigned y);
  powu = (void*)GetProcAddress(hdll, "powu");
  if (!powu)
  {
    fprintf(stderr, "!load powu");
    FreeLibrary(hdll);
    return -1;
  }

  unsigned res = powu(2, 5);
  FreeLibrary(hdll);
  return res;
}

Различия между exe и dll

Хотя и динамические библиотеки, и приложения являются исполняемыми модулями, они отличаются некоторыми особенностями. Наиболее очевидное – динамическую библиотеку нельзя запустить.

С точки зрения системы, между приложениями и динамическими библиотеками имеется два существенных различия:

1. В системе может одновременно выполняться несколько экземпляров приложения. Экземпляр динамической библиотеки может быть только один.

2. Приложение может загружаться как процесс. Ему могут принадлежать такие компоненты, как стек, потоки выполнения, глобальная память, дескрипторы файлов и очередь сообщений. У динамической библиотеки таких компонентов быть не может.