Курсовая работа: Разработка статических и динамических библиотек на языке программирования С/C++ в операционных системах UNIX
На этом фокусы не кончаются, если Вы сейчас попробуете запустить файл rezultdyn, то получите ошибку:
olya:~# ./rezultdyn
./rezultdyn: error in loading shared libraries: libfsdyn.so: cannot open
shared object file: No such file or directory
olya:~#
Это сообщение выдает динамический линковщик. Он просто не может найти файл нашей динамической библиотеки. Дело в том, что загрузчик ищет файлы динамических библиотек в известных ему директориях, а наша директория ему не известна. Но это мы чуть отложим, потому что это достаточно сложный вопрос.
А сейчас стоит поговорить еще об одном моменте использования библиотек. Мы специально динамическую библиотеку с названием fsdyn, чтобы она отличалась от названия статической библиотеки fs. Дело в том, что если у Вас две библиотеки статическая и динамическая с одинаковыми названиями, то есть libfs.a и libfs.so, то компилятор всегда будет использовать динамическую библиотеку.
Связано это с тем, что в ключе -l задается часть имени библиотеки, а префикс lib и окончание .a или .so приставляет сам компилятор. Так вот алгоритм работы компилятора таков, что если есть динамическая библиотека, то она используется по умолчанию. Статическая же библиотека используется когда компилятор не может обнаружить файл .so этой библиотеки. Во всей имеющейся у меня документации пишется, что если использовать ключ -static, то можно насильно заставить компилятор использовать статическую библиотеку. Отлично, попробуем...
olya:~# gcc -staticmain.o -L. -lfs -o rez1
Результирующий файл rez1 получается размером в 900 Кб. После применения программы strip размер ее уменьшается до 200 Кб, но это же не сравнить с тем, что наша первая статическая компиляция давала программу размером 10 Кб. А связано это с тем, что любая программа написанная на C/C++ в Linux использует стандартную библиотеку "C" library, которая содержит в себе определения таких функций, как printf(), write() и всех остальных. Эта библиотека линкуется к файлу как динамическая, чтобы все программы написанные на C++ могли использовать единожды загруженные функции. Ну, а при указании ключа -static компилятор делает линковку libc статической, поэтому размер кода увеличивается на все 200 Кб.
3.4 Использование динамических библиотек
В прошлый раз мы с Вами обнаружили, что запуск программ, скомпилированных вместе с динамическими библиотеками, вызывает ошибку:
olya:~# ./rezultdyn
./rezultdyn: error in loading shared libraries: libfsdyn.so: cannot open
shared object file: No such file or directoryolya:/#
Это сообщение выдает загрузчик динамических библиотек(динамический линковщик - dynamic linker), который в нашем случае не может обнаружить библиотеку libfsdyn.so. Для настройки динамического линковщика существует ряд программ.
Первая программа называется ldd. Она выдает на экран список динамических библиотек используемых в программе и их местоположение. В качестве параметра ей сообщается название обследуемой программы. Давайте попробуем использовать ее для нашей программы rezultdyn:
olya:~# ldd rezultdyn
libfsdyn.so => not found
libc.so.6 => /lib/libc.so.6 (0x40016000)
/lib/ld-linux.so.2 => /lib/ld-linux.so.2 (0x40000000)
olya:~#
Как видите все правильно. Программа использует три библиотеки:
libc.so.6 - стандартную библиотеку функций языка C++.
ld-linux.so.2 - библиотеку динамической линковки программ ELF формата.
libfsdyn.so - нашу динамическую библиотеку функций.
Нашу библиотеку она найти не может. И правильно! Динамический линковщик ищет библиотеки только в известных ему каталогах, а каталог нашей программы ему явно не известен.
Для того, чтобы добавить нашу директорию с библиотекой в список известных директорий надо подредактировать файл /etc/ld.so.conf. Например, у меня этот файл состоит из таких строк:
olya:~# cat /etc/ld.so.conf
/usr/X11R6/lib
/usr/i386-slackware-linux/lib
/usr/i386-slackware-linux-gnulibc1/lib
/usr/i386-slackware-linux-gnuaout/lib
olya:~#
Во всех этих директории хранятся всеми используемые библиотеки. В этом списке нет лишь одной директории - /lib, которая сама по себе не нуждается в описании, так как она является главной. Получается, что наша библиотека станет "заметной", если поместить ее в один их этих каталогов, либо отдельно описать в отдельном каталоге. Давайте для теста опишем, добавим строку в конец файла ld.so.conf:
/root
У меня этот файл находится в домашнем каталога пользователя root, у Вас он может быть в другом месте. Теперь после этого динамический линковщик будет знать где можно найти наш файл, но после изменения конфигурационного файла ld.so.conf необходимо, чтобы система перечитала настройки заново. Это делает программа ldconfig. Пробуем запустить нашу программу:
olya:~# ldconfig
olya:~# ./rezultdyn
f1() = 25
f2() = 10
olya:~#
Как видите все заработало. Если теперь удалить добавленную нами строку и снова запустите ldconfig, то данные о расположении нашей библиотеки исчезнут и будет появляться таже самая ошибка.
Но описанный метод влияет на всю систему в целом и требует доступа администратора системы, т.е. root. А если Вы простой пользователь без сверх возможностей ?!
Для такого случая есть другое безболезненное решение. Это использование специальной переменной среды LD_LIBRARY_PATH, в которой перечисляются все каталоги содержащие пользовательские динамические библиотеки. Для того, чтобы установить эту переменную в командной среде bash надо набрать всего несколько команд. Для начала посмотрим есть ли у нас такая переменная среды:
olya:~# echo $LD_LIBRARY_PATH
У меня в ответ выводится пустая строка, означающая, что такой переменной среды нет. Устанавливается она следующим образом:
olya:~# LD_LIBRARY_PATH=/root
olya:~# export LD_LIBRARY_PATH
После этого программа rezultdyn будет прекрасно работать. В случае, если в системе эта переменная среды уже уставновлена, то, чтобы не испортить ее значение, надо новый каталог прибавить к старому значению. Делается это другой командой:
olya:~# LD_LIBRARY_PATH=/root:${LD_LIBRARY_PATH}
olya:~# export LD_LIBRARY_PATH
Если обнулить эту переменную, то снова библиотека перестанет работать:
olya:~# LD_LIBRARY_PATH=""
olya:~# export LD_LIBRARY_PATH
olya:~# ./rezultdyn
./rezultdyn: error in loading shared libraries: libfsdyn.so: cannot open
shared object file: No such file or directory
olya:~#
Также параллельно можно зайти в систему под другим пользователем или даже тем же самым, но если просмотреть значение LD_LIBRARY_PATH, то увидим ее прежнее значение. Это означает, что два разных пользователя Linux не могут влиять на работу друг друга, а это и есть самое главное хорошее отличие систем Unix от большинства других систем.
4 Создание динамических библиотек
4.1 Функции работы с динамическими библиотеками
Оказывается, что использовать динамические библиотеки можно не только в начале загрузки, но и в процессе самой работы программы. Программа сама может вызывать любые функции из библиотеки, когда ей захочется. Для этого всего-лишь надо использовать библиотеку dl, которая позволяет линковать библиотеки "на лету". Она управляет загрузкой динамических библиотек, вызовом функций из них и выгрузкой после конца работы.
Для использования функций программной работы с динамическими библиотеками необходимо подключить заголовочный файл:
#include <dlfcn.h>
Чтобы вызывать какие-то функции из динамической библиотеки сначала надо открыть эту библиотеку (можно сказать "загрузить"). Открывается она функцией:
void *dlopen (const char *filename, int flag);
Параметр filename содержит путь до требуемой библиотеки, а параметр flag задает некоторые специфические флаги для работы. Функция возвращает указатель на загруженную библиотеку. В случае любой ошибки возвращается указатель NULL. В таком случае тест ошибки понятный человеку можно получить с помощью функции dlerror(). Пока мы не будем задумываться над этим, и я приведу стандартный код для открытия библиотеки:
void *library_handler;
//......
//загрузка библиотеки
library_handler = dlopen("/path/to/the/library.so",RTLD_LAZY);
if (!library_handler){
//если ошибка, то вывести ее на экран
fprintf(stderr,"dlopen() error: %s\n", dlerror());
exit(1); // в случае ошибки можно, например, закончить работу программы
};
После этого можно работать с библиотекой. А работа эта заключается в получении адреса требуемой функции из библиотеки. Получить адрес функции или переменной можно по ее имени с помощью функции:
void *dlsym(void *handle, char *symbol);
Для этой функции требуется адрес загруженной библиотеки handle, полученный при открытии функцией dlopen(). Требуемая функция или переменная задается своим именем в переменной symbol.
Закрывается библиотека функцией:
dlclose(void *handle);
При закрытии библиотеки динамический линковщик проверяет счетчик количества открытий библиотеки, и если она была открыта несколькими программами одновременно, то она не выгружается до тех пор, пока все программы не закроют эту библиотеку.
Для примера создадим программу, которая в качестве параметра получает название функции, которую она будет использовать в работе. Например, это будут математические функции возведения в степень. Создадим сначала динамическую библиотеку. Пишем ее код:
double power2(double x){
return x*x;
};
double power3(double x){
return x*x*x;
};
double power4(double x){
return power2(x)*power2(x);
};
//......
Сохраняем его в файл lib.c и создаем динамическую библиотеку libpowers.so следующими командами:
olya:~# gcc -fPIC -c lib.c
olya:~# gcc -shared lib.o -o libpowers.so
Теперь создаем основную программу в файле main.c:
#include <stdio.h>
/* заголовочный файл для работы с динамическими библиотеками */
#include <dlfcn.h>
int main(int argc, char* argv[]){
void *ext_library;// хандлер внешней библиотеки
double value=0;// значение для теста
double (*powerfunc)(double x);// переменная для хранения адреса функции
//загрузка библиотеки
ext_library = dlopen("/root/libpowers.so",RTLD_LAZY);
if (!ext_library){
//если ошибка, то вывести ее на экран
fprintf(stderr,"dlopen() error: %s\n", dlerror());
return 1;
};
//загружаем из библиотеки требуемую процедуру
powerfunc = dlsym(ext_library, argv[1]);
value=3.0;
//выводим результат работы процедуры
printf("%s(%f) = %f\n",argv[1],value,(*powerfunc)(value));
//закрываем библиотеку
dlclose(ext_library);
};
Код главной программы готов. Требуется его откомпилировать с использованием библиотеки dl:
olya:~# gcc main.c -o main -ldl
Получим программный файл main, который можно тестировать. Наша программа должна возводить значение 3.0 в требуемую нами степень, которая задается названием функции. Давайте попробуем:
olya:~# ./main power2
power2(3.000000) = 9.000000
olya:~# ./main power3
power3(3.000000) = 27.000000
olya:~# ./main power4
power4(3.000000) = 81.000000
olya:~#
Мы используем функции, зная лишь их название. Представьте открывающиеся возможности для программ, на основе этого метода можно создавать плагины для программ, модернизировать какие-то части, добавлять новые возможности и многое другое.
4.2 Создание динамической библиотеки для решения системы линейных уравнений
В качестве примера использования динамических библиотек напишем программу для решения системы линейных уравнений.
Пусть система имеет вид:
a11*x1+a12*x2=b1;
a21*x1+a22*x2=b2;
Решение этой системы находим через обратную матрицу A-1.
A*X=B
X=A-1*B
; 
;
;
;
Программа в качестве параметров принимает значение коефициентов системы и название функции, которую она использует.
Создадим динамическую библиотеку:
Так как функция возвращает два результата x1 и x2 в программе будем использовать структуру.
"mytype.h" :
struct DPair {
double first;
double second;
};
Struct DPair (*powerfunc)(double,double,double,double,double,double);
"libsysur.c" :
#include "mytype.h"
struct DPair sys2(double a11, double a12,double a21, double a22,double b1, double b2){
//nahodim opredelitel sistemy
struct DPair dPair;
double opr=a11*a22-a12*a21;
if (opr!=0) {
double ao11=a22; double ao12=-a21;
double ao21=-a12; double ao22=a11;
dPair.first=(ao11*b1+ao21*b2)/opr;
dPair.second=(ao12*b1+ao22*b2)/opr;
}
return dPair;
}
Создаем динамическую библиотеку libsysur.so следующими командами:
bash-3.00# gcc -fPIC -c libsysur.c
bash-3.00# gcc -shared libsysur.o -o libsysur.so
Создаем основную программу:
"sysur.c" :
#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>
#include "mytype.h"
int main(int argc, char* argv[]){
void *ext_library; //хандлер внешней функции
double a11;double a12; double a21; double a22;
double b1; double b2;
double (*powerfunc)(double a11,double a12, double a21, double a22,double b1, double b2);//переменная, для хранения адреса функции
//загрузка библиотеки
ext_library=dlopen("/root/dynamik/libsysur.so",RTLD_LAZY);
if (!ext_library){
//если ошибка, вывести на экран
fprintf(stderr,"dlopen() error: %s\n", dlerror());
return 1;
};
//загружаем из библиотеки требуемую процедуру
powerfunc=dlsym(ext_library, argv[1]); //получаем адрес требуемой функции
//ext_library-адрес загруженной библ.
//argv-требуемая функция или переменная
printf("Vvedite a11 a12 :");
scanf("%lf %lf",&a11,&a12);
printf("Vvedite a21 a22 :");
scanf("%lf %lf",&a21,&a22);
printf("Vvedite b1, b2 :");
scanf("%lf %lf",&b1,&b2);
struct DPair sq=(*powerfunc)(a11,a12,a21,a22,b1,b2);
printf("x1=%lf\n, x2=%d\lf",sq.first,sq.second);
//выводим результат работы процедуры
//закрываем библиотеку
dlclose(ext_library);
};
Компилируем код главной программы:
bash -3.00# gcc sysur.c -o sysur -ldl
Выводы
В курсовой работе были рассмотрены рассмотрены вопросы разработки статических и динамических библиотек на языке программирования С/C++ в операционных системах UNIX.
Использование библиотеки позволяет компактно хранить все требуемые объектные файлы в одном месте, и при этом значительно повысить скорость компиляции.
Объектные библиотеки по способу использования разделяются на статические и динамические библиотеки
Статическая библиотека - это коллекция объектных файлов, которые присоединяются к программе во время линковки программы. В работе самой программы статические библиотеки они не принимают участие, в отличие от динамических библиотек.
В динамической библиотеке объектные файлы из библиотеки не присоединяются к программе. Присоединение этих объектных файлов осуществляет системный динамический загрузчик во время запуска программы. Загрузчик проверяет все библиотеки прилинкованные с программе на наличие требуемых объектных файлов, затем загружает их в память и присоединяет их в копии запущенной программы, находящейся в памяти.
Динамические библиотеки немного лучше статических, но их использование более сложное. Так как динамическая библиотека это уже не архивный файл, а настоящая загружаемая программа
Список использований литературы
1. http://club.shelek.com/
2. http://helpsite.narod.ru/
3. http://myforum.net.ua/index.php?
4. http://ishodniki.ru/
5. Робин Бурк и др. Unix для системных администраторов.Энциклопедия пользователя. - Киев 1998. - 864с.
