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实验：观察MacOS上的动态链接和静态链接

8分钟阅读

  • macOS 静态链接 vs 动态链接演示
    • 目标：
      • 在 macOS 上使用命令行（终端）和标准的 clang 编译器（随 Xcode Command Line Tools 提供）创建一个简单的示例，以演示静态链接和动态链接之间的区别。
    • 先决条件：
      • 确保你已经安装了 Xcode Command Line Tools。
      • 可以通过打开终端（应用程序 → 实用工具 → 终端）并运行以下命令来安装它们： bash xcode-select --install
    • 步骤 1: 创建库代码

      • 在一个新目录（例如 linking_demo）中创建两个文件：

      • mylib.h (库头文件) ```c #ifndef MYLIB_H #define MYLIB_H

        // 声明我们的库提供的函数
void say_hello_from_lib(const char *link_type);

#endif // MYLIB_H
```

      • mylib.c (库源文件) ```c #include <stdio.h> #include “mylib.h”

        // 定义函数
void say_hello_from_lib(const char *link_type) {
    printf("来自 mylib 的问候！这是通过 %s 链接的。\n", link_type);
    // Original: printf("Hello from mylib! This was linked %s.\n", link_type);
}
```
    • 步骤 2: 创建主程序代码

      • 创建一个名为 main.c 的文件： ```c #include “mylib.h” // 包含我们库的头文件

        int main(int argc, char *argv[]) {
    // 为了在输出中更清晰，我们将链接方式作为参数传递
    const char *link_type = (argc > 1) ? argv[1] : "未知方式";

    say_hello_from_lib(link_type); // 调用库函数
    return 0;
}
```
    • 步骤 3: 静态链接演示
      • 将库源代码编译为目标文件： bash clang -c mylib.c -o mylib.o
        • -c: 只编译，不链接。创建 mylib.o。
      • 创建静态库归档文件（.a 文件）： bash ar rcs libmylib.a mylib.o
        • ar: 归档工具。
        • r: 将文件（mylib.o）插入/替换到归档中。
        • c: 如果归档（libmylib.a）不存在，则创建它。
        • s: 在归档中写入一个目标文件索引（对链接器很重要）。
        • libmylib.a: 标准命名约定（前缀 lib，后缀 .a）。
      • 将主程序源代码编译为目标文件： bash clang -c main.c -o main.o
      • 将主目标文件与静态库链接： bash clang main.o -L. -lmylib -o main_static
        • main.o: 主程序的目标代码。
        • -L.: 告诉链接器在当前目录（.）中查找库。
        • -lmylib: 告诉链接器链接名为 mylib 的库。它会在指定路径中搜索 libmylib.a（或者在进行动态链接时搜索 libmylib.dylib）。
        • -o main_static: 将最终的可执行文件命名为 main_static。
    • 步骤 4: 动态链接演示
      • 将库源代码编译为位置无关的目标文件：
        • (如果我们之前已经用 -fPIC 编译了 mylib.o，可以复用，但这里明确指出) bash clang -fPIC -c mylib.c -o mylib_dynamic.o
        • -fPIC: 生成位置无关代码（Position-Independent Code），这对于共享库是必需的。
      • 创建共享库（在 macOS 上是 .dylib 文件）： bash clang -dynamiclib mylib_dynamic.o -o libmylib.dylib
        • -dynamiclib: 指定我们正在创建一个共享库。
        • libmylib.dylib: macOS 上动态库的标准命名约定。
      • 将主目标文件与共享库链接：
        • (我们可以复用 main.o) bash clang main.o -L. -lmylib -o main_dynamic
        • 这个命令与静态链接中的相同。但是，链接器（由 clang 调用的 ld）通常在两者都存在且使用了 -l 选项时，优先选择 .dylib 而不是 .a。它在当前目录 (-L.) 找到 libmylib.dylib 并动态地链接它。
        • -o main_dynamic: 将输出的可执行文件命名为 main_dynamic。
    • 步骤 5: 观察差异
      • 文件大小： bash ls -l main_static main_dynamic libmylib.a libmylib.dylib mylib.o
        • 观察： 你应该看到 main_static 比 main_dynamic 大。大小的差异大致是因为 main_static 包含了 mylib.o 中的实际代码，而 main_dynamic 只包含了引用。libmylib.a 的大小将与 mylib.o 相似，而 libmylib.dylib 可能因为动态链接的开销/元数据而稍大一些。
      • 库依赖关系： bash otool -L main_static bash otool -L main_dynamic
        • otool -L: 这个命令列出可执行文件或库所依赖的动态库。
        • 对于 main_static 的观察： 你很可能只会看到系统库（如 /usr/lib/libSystem.B.dylib）。你应该看不到 libmylib.dylib 被列出。
        • 对于 main_dynamic 的观察： 你会看到 libmylib.dylib 被列出（它可能只显示名称，或者根据链接器标志显示为 @rpath/libmylib.dylib），同时还有系统库。这表明它在运行时依赖于外部的共享库文件。
    • 步骤 6: 运行可执行文件
      • 运行静态链接的版本： bash ./main_static static
        • 输出： 来自 mylib 的问候！这是通过 static 链接的。
        • 观察： 它能正常运行，因为所有来自 mylib 的必要代码都在 main_static 内部。
      • 运行动态链接的版本： bash ./main_dynamic dynamic
        • 潜在问题： 这可能会失败，并出现类似以下的错误：dyld: Library not loaded: libmylib.dylib ... Reason: image not found
        • 原因？ 动态链接器默认情况下不知道在运行时去当前目录（.）查找 .dylib 文件。main_dynamic 知道它需要 libmylib.dylib，但系统找不到它。
        • 解决方案 1 (临时环境变量)： 仅为本次命令告诉动态链接器去哪里查找： bash DYLD_LIBRARY_PATH=. ./main_dynamic dynamic
          • DYLD_LIBRARY_PATH=. 设置一个环境变量，告诉链接器搜索当前目录。
          • 输出： 来自 mylib 的问候！这是通过 dynamic 链接的。
        • 解决方案 2 (嵌入运行时路径 - RPATH)： 重新链接 main_dynamic，告诉它在运行时相对于自身在哪里查找库： bash clang main.o -L. -lmylib -o main_dynamic_rpath -Wl,-rpath,@executable_path
          • -Wl,-rpath,@executable_path: 将 -rpath 选项传递给链接器 (ld)，告诉它将包含可执行文件的目录 (@executable_path) 添加到运行时搜索路径中。
          • 现在运行新的可执行文件 bash ./main_dynamic_rpath dynamic
          • 输出： 来自 mylib 的问候！这是通过 dynamic 链接的。 这个版本可以直接运行，因为位置提示被嵌入了。
    • 清理： 
      rm main.c mylib.c mylib.h mylib.o mylib_dynamic.o libmylib.a libmylib.dylib main.o main_static main_dynamic main_dynamic_rpath
    • 这个实践练习清晰地展示了静态链接的可执行文件是自包含的（文件更大，对 libmylib 没有运行时依赖），而动态链接的可执行文件更小，但在运行时需要外部的 libmylib.dylib 文件可用且能被找到。

关系图谱

反向链接