對比Windows和Linux兩系統的動態庫

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作者：yuanyang　來源：linuxdiyf.com　發佈時間：2007.01.05

摘要：動態鏈結庫技術實現和設計程式常用的技術，在Windows和Linux系統中都有動態庫的概念，採用動態庫可以有效的減少程式大小，節省空間，提高效率，增加程式的可擴展性，便於模組化管理。但不同作業系統的動態庫由於格式 不同，在需要不同作業系統調用時需要進行動態庫程式移植。本文分析和比較了兩種作業系統動態庫技術，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）技術是程式設計中經常採用的技術。其目的減少程式的大小，節省空間，提高效率，具有很高的靈活性。採用動態庫技術對於升級軟體版本更加容易。與靜態庫（Static Link Library）不同，動態庫裏面的函數不是執行程式本身的一部分，而是根據執行需要按需載入，其執行代碼可以同時在多個程式中共用。
在Windows和Linux作業系統中，都可採用這種方式進行軟體設計，但他們的調用方式以及程式編制方式不盡相同。本文首先分析了在這兩種作業系統中通常採用的動態庫調用方法以及程式編制方式，然後分析比較了這兩種方式的不同之處，最後根據實際移植程式經驗，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動態庫技術動態鏈結庫是實現Windows應用程式共用資源、節省記憶體空間、提高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，稱之為資源動態鏈結庫。通常動態庫以.dll，.drv、.fon等作為尾碼。相應的windows靜態庫通常以.lib結尾，Windows自己就將一些主要的系統功能以動態庫模組的形式實現。
Windows動態庫在運行時被系統載入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記憶體，成為調用進程的一部分。DLL也只能被該進程的線程所訪問。DLL的句柄可以被調用進程使用；調用進程的句柄可以被DLL使用。DLL模組中包含各種導出函數，用於向外界提供服務。DLL可以有自己的數據段，但沒有自己的堆棧，使用與調用它的應用程式相同的堆棧模式；一個DLL在記憶體中只有一個實例；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，可以通過DLL來實現混合語言編程。DLL函數中的代碼所創建的任何對象（包括變數）都歸調用它的線程或進程所有。
根據調用方式的不同，對動態庫的調用可分為靜態調用方式和動態調用方式。
(1)靜態調用，也稱為隱式調用，由編譯系統完成對DLL的載入和應用程式結束時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，能夠滿足通常的要求。通常採用的調用方式是把產生動態連接庫時產生的.LIB文件加入到應用程式的工程中，想使用DLL中的函數時，只須在源文件中聲明一下。 LIB文件包含了每一個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文件包含的資訊進入到生成的應用程式中，被調用的DLL文件會在應用程式載入時同時載入在到記憶體中。
(2)動態調用，即顯式調用方式，是由編程者用API函數載入和卸載DLL來達到調用DLL的目的，比較複雜，但能更加有效地使用記憶體，是編制大型應用程式時的重要方式。在Windows系統中，與動態庫調用有關的函數包括：
LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動態庫。
GetProcAddress，獲取要引入的函數，將符號名或標識號轉換為DLL內部地址。
FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動態鏈結庫。
在windows中創建動態庫也非常方便和簡單。在Visual C++中，可以創建不用MFC而直接用C語言寫的DLL程式，也可以創建基於MFC類庫的DLL程式。每一個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)工作。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程式定義的函數分為內部函數和導出函數，動態庫導出的函數供其他程式模組調用。通常可以有下面幾種方法導出函數：
採用模組定義文件的EXPORT部分指定要輸入的函數或者變數。
使用MFC提供的修飾符號_declspec(dllexport)。
以命令行方式，採用/EXPORT命令行輸出有關函數。
在windows動態庫中，有時需要編寫模組定義文件(.DEF)，它是用於描述DLL屬性的模組語句組成的文本文件。
2.2 Linux共用對象技術
在Linux作業系統中，採用了很多共用對象技術（Shared Object），雖然它和Windows裏的動態庫相對應，但它並不稱為動態庫。相應的共用對象文件以.so作為尾碼，為了方便，在本文中，對該概念不進行專門區分。Linux系統的/lib以及標準圖形介面的/usr/X11R6/lib等目錄裏面，就有許多以so結尾的共用對象。同樣，在Linux下，也有靜態函數庫這種調用方式，相應的尾碼以.a結束。Linux採用該共用對象技術以方便程式間共用，節省程式佔有空間，增加程式的可擴展性和靈活性。Linux還可以通過LD-PRELOAD變數讓開發人員可以使用自己的程式庫中的模組來替換系統模組。
同Windows系統一樣，在Linux中創建和使用動態庫是比較容易的事情，在編譯函數庫源程式時加上-shared選項即可，這樣所生成的執行程式就是動態鏈結庫。通常這樣的程式以so為尾碼，在Linux動態庫程式設計過程中，通常流程是編寫用戶的介面文件，通常是.h文件，編寫實際的函數文件，以.c或.cpp為尾碼，再編寫makefile文件。對於較小的動態庫程式可以不用如此，但這樣設計使程式更加合理。
編譯生成動態連接庫後，進而可以在程序中進行調用。在Linux中，可以採用多種調用方式，同Windows的系統目錄(..\system32等)一樣，可以將動態庫文件拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄裏面建立符號連接，以便所有用戶使用。下面介紹Linux調用動態庫經常使用的函數，但在使用動態庫時，源程式必須包含dlfcn.h頭文件，該文件定義調用動態鏈結庫的函數的原型。
(1)_打開動態鏈結庫：dlopen，函數原型void *dlopen (const char *filename, int flag);
dlopen用於打開指定名字(filename)的動態鏈結庫，並返回操作句柄。
(2)取函數執行地址：dlsym，函數原型為: void *dlsym(void *handle, char *symbol);
dlsym根據動態鏈結庫操作句柄(handle)與符號(symbol)，返回符號對應的函數的執行代碼地址。
(3)關閉動態鏈結庫：dlclose，函數原型為: int dlclose (void *handle);
dlclose用於關閉指定句柄的動態鏈結庫，只有當此動態鏈結庫的使用計數為0時,才會真正被系統卸載。
(4)動態庫錯誤函數：dlerror，函數原型為: const char *dlerror(void); 當動態鏈結庫操作函數執行失敗時，dlerror可以返回出錯資訊，返回值為NULL時表示操作函數執行成功。
在取到函數執行地址後，就可以在動態庫的使用程式裏面根據動態庫提供的函數介面聲明調用動態庫裏面的函數。在編寫調用動態庫的程式的makefile文件時，需要加入編譯選項-rdynamic和-ldl。
除了採用這種方式編寫和調用動態庫之外，Linux作業系統也提供了一種更為方便的動態庫調用方式，也方便了其他程式調用，這種方式與Windows系統的隱式鏈結類似。其動態庫命名方式為“lib*.so.*”。在這個命名方式中，第一個*表示動態鏈結庫的庫名，第二個*通常表示該動態庫的版本號，也可以沒有版本號。在這種調用方式中，需要維護動態鏈結庫的配置文件/etc/ld.so.conf來讓動態鏈結庫為系統所使用，通常將動態鏈結庫所在目錄名追加到動態鏈結庫配置文件中。如具有X window窗口系統發行版該文件中都具有/usr/X11R6/lib，它指向X window窗口系統的動態鏈結庫所在目錄。為了使動態鏈結庫能為系統所共用，還需運行動態鏈結庫的管理命令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動態庫時，可以在gcc採用 –l或-L選項或直接引用所需的動態鏈結庫方式進行編譯。在Linux裏面，可以採用ldd命令來檢查程式依賴共用庫。
3、兩種系統動態庫比較分析
Windows和Linux採用動態鏈結庫技術目的是基本一致的，但由於作業系統的不同，他們在許多方面還是不盡相同，下面從以下幾個方面進行闡述。
(1)動態庫程式編寫，在Windows系統下的執行文件格式是PE格式，動態庫需要一個DllMain函數作為初始化的人口，通常在導出函數的聲明時需要有_declspec(dllexport)關鍵字。Linux下的gcc編譯的執行文件默認是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要到函數做特別聲明，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，通常不用自己去編寫makefile文件，但在linux下面，需要自己動手去編寫makefile文件，因此，必須掌握一定的makefile編寫技巧，另外，通常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都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，有許多工具和軟體可以進行查看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程式。在Linux系統中通常採用nm來查看輸出函數，也可以使用ldd查看程式隱式鏈結的共用對象文件。
(5)對作業系統的依賴，這兩種動態庫運行依賴於各自的作業系統，不能跨平臺使用。因此，對於實現相同功能的動態庫，必須為兩種不同的作業系統提供不同的動態庫版本。
4、動態庫移植方法
如果要編制在兩個系統中都能使用的動態鏈結庫，通常會先選擇在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介面比vi和gcc方便許多。完成測試之後，再進行動態庫的程式移植。通常gcc默認的編譯規則比VC++默認的編譯規則嚴格，即使在VC++下面沒有任何警告錯誤的程式在gcc調試中也會出現許多警告錯誤，可以在gcc中採用-w選項關閉警告錯誤。
下面給出程式移植需要遵循的規則以及經驗。
(1)儘量不要改變原有動態庫頭文件的順序。通常在C/C++語言中，頭文件的順序有相當的關係。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，因為ext2文件系統對文件名是大小寫敏感，否則不能正確編譯，而在Windows下面，頭文件大小寫可以正確編譯。
(2)不同系統獨有的頭文件。在Windows系統中，通常會包括windows.h頭文件，如果調用底層的通信函數，則會包含winsock..h頭文件。因此在移植到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都底層通信的支援的頭文件等。
(3)數據類型。VC++具有許多獨有的數據類型，如__int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支援它們。通常做法是需要將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為SOCKET改為int。
下面給出程式移植需要遵循的規則以及經驗。
(1)儘量不要改變原有動態庫頭文件的順序。通常在C/C++語言中，頭文件的順序有相當的關係。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，因為ext2文件系統對文件名是大小寫敏感，否則不能正確編譯，而在Windows下面，頭文件大小寫可以正確編譯。
(2)不同系統獨有的頭文件。在Windows系統中，通常會包括windows.h頭文件，如果調用底層的通信函數，則會包含winsock..h頭文件。因此在移植到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都底層通信的支援的頭文件等。
(3)數據類型。VC++具有許多獨有的數據類型，如__int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支援它們。通常做法是需要將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為SOCKET改為int。
(7)其他一些需要注意的地方
程式設計結構分析，對於移植它人編寫的動態庫程式，程式結構分析是必不可少的步驟，通常在動態庫程式中，不會包含介面等操作，所以相對容易一些。
在Linux中，對文件或目錄的許可權分為擁有者、群組、其他。所以在存取文件時，要注意對文件是讀還是寫操作，如果是對文件進行寫操作，要注意修改文件或目錄的許可權，否則無法對文件進行寫。
指針的使用，定義一個指針只給它分配四個字節的記憶體，如果要對指針所指向的變數賦值，必須用malloc函數為它分配記憶體或不把它定義為指針而定義為變數即可，這點在linux下面比windows編譯嚴格。同樣結構不能在函數中傳值，如果要在函數中進行結構傳值，必須把函數中的結構定義為結構指針。
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同。
編程和調試技巧方面。對不同的調試環境有不同的調試技巧，在這裡不多敘述。
5、結束語
本文系統分析了windows和Linux動態庫實現和使用方式，從程式編寫、編譯、調用以及對作業系統依賴等方面綜合分析比較了這兩種調用方式的不同之處，根據實際程式移植經驗，給出了將VC++編制的Windows動態庫移植到Linux下的方法以及需要注意的問題，同時並給出了程式示例片斷，實際在程式移植過程中，由於系統的設計等方面，可能移植起來需要注意的方面遠比上面複雜，本文通過總結歸納進而為不同作業系統程式移植提供了有意的經驗和技巧。