Qt: Window, Linux動态連結庫的分析對比

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分析Windows和Linux動态庫

摘要：動态連結庫技術實作和設計程式常用的技術，在Windows和Linux系統中都有動态庫的概念，采用動态庫可以有效的減少程式大小，節省空間，提高效率，增加程式的可擴充性，便于子產品化管理。但不同作業系統的動态庫由于格式 不同，在需要不同作業系統調用時需要進行動态庫程式移植。本文分析和比較了兩種作業系統動态庫技術，并給出了将Visual C 編制的動态庫移植到Linux上的方法和經驗。   　　 1、引言   　　 動态庫（Dynamic Link Library abbr，DLL）技術是程式設計中經常采用的技術。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。采用動态庫技術對于更新軟體版本更加容易。與靜态庫（Static Link Library）不同，動态庫裡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享。   　　 在Windows和Linux作業系統中，都可采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采用的動态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，介紹了将VC 編制的Windows動态庫移植到Linux下的方法。   　　 2、動态庫技術   　　 2.1 Windows動态庫技術   　　 動态連結庫是實作Windows應用程式共享資源、節省記憶體空間、提高使用效率的一個重要技術手段。常見的動态庫包含外部函數和資源，也有一些動态庫隻包含資源，如Windows字型資源檔案，稱之為資源動态連結庫。通常動态庫以.dll，.drv、.fon等作為字尾。相應的windows靜态庫通常以.lib結尾，Windows自己就将一些主要的系統功能以動态庫子產品的形式實作。   　　 Windows動态庫在運作時被系統加載到程序的虛拟空間中，使用從調用程序的虛拟位址空間配置設定的記憶體，成為調用程序的一部分。DLL也隻能被該程序的線程所通路。DLL的句柄可以被調用程序使用；調用程序的句柄可以被DLL使用。DLL子產品中包含各種導出函數，用于向外界提供服務。DLL可以有自己的資料段，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在記憶體中隻有一個執行個體；DLL實作了代碼封裝性；DLL的編制與具體的程式設計語言及編譯器無關，可以通過DLL來實作混合語言程式設計。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程序所有。   　　 根據調用方式的不同，對動态庫的調用可分為靜态調用方式和動态調用方式。   　　 (1)靜态調用，也稱為隐式調用，由編譯系統完成對DLL的加載和應用程式結束時DLL解除安裝的編碼（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。通常采用的調用方式是把産生動态連接配接庫時産生的.LIB檔案加入到應用程式的工程中，想使用DLL中的函數時，隻須在源檔案中聲明一下。 LIB檔案包含了每一個DLL導出函數的符号名和可選擇的辨別号以及DLL檔案名，不含有實際的代碼。Lib檔案包含的資訊進入到生成的應用程式中，被調用的DLL檔案會在應用程式加載時同時加載在到記憶體中。   　　 (2)動态調用，即顯式調用方式，是由程式設計者用API函數加載和解除安裝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，與動态庫調用有關的函數包括：   　　 ①LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動态庫。   　　 ②GetProcAddress，擷取要引入的函數，将符号名或辨別号轉換為DLL内部位址。   　　 ③FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動态連結庫。   　　 在windows中建立動态庫也非常友善和簡單。在Visual C 中，可以建立不用MFC而直接用C語言寫的DLL程式，也可以建立基于MFC類庫的DLL程式。每一個DLL必須有一個入口點，在VC 中，DllMain是一個預設的入口函數。DllMain負責初始化(Initialization)和結束(Termination)工作。動态庫輸出函數也有兩種約定，分别是基于調用約定和名字修飾約定。DLL程式定義的函數分為内部函數和導出函數，動态庫導出的函數供其它程式子產品調用。通常可以有下面幾種方法導出函數：   2 分析Windows和Linux動态庫 　　 ①采用子產品定義檔案的EXPORT部分指定要輸入的函數或者變量。   　　 ②使用MFC提供的修飾符号_declspec(dllexport)。   　　 ③以指令行方式，采用/EXPORT指令行輸出有關函數。   　　 在windows動态庫中，有時需要編寫子產品定義檔案(.DEF)，它是用于描述DLL屬性的子產品語句組成的文本檔案。   2.2 Linux共享對象技術   　　 在Linux作業系統中，采用了很多共享對象技術（Shared Object），雖然它和Windows裡的動态庫相對應，但它并不稱為動态庫。相應的共享對象檔案以.so作為字尾，為了友善，在本文中，對該概念不進行專門區分。Linux系統的/lib以及标準圖形界面的/usr/X11R6/lib等目錄裡面，就有許多以so結尾的共享對象。同樣，在Linux下，也有靜态函數庫這種調用方式，相應的字尾以.a結束。Linux采用該共享對象技術以友善程式間共享，節省程式占有空間，增加程式的可擴充性和靈活性。Linux還可以通過LD-PRELOAD變量讓開發人員可以使用自己的程式庫中的子產品來替換系統子產品。   　　 同Windows系統一樣，在Linux中建立和使用動态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态連結庫。通常這樣的程式以so為字尾，在Linux動态庫程式設計過程中，通常流程是編寫使用者的接口檔案，通常是.h檔案，編寫實際的函數檔案，以.c或.cpp為字尾，再編寫makefile檔案。對于較小的動态庫程式可以不用如此，但這樣設計使程式更加合理。   　　 編譯生成動态連接配接庫後，進而可以在程式中進行調用。在Linux中，可以采用多種調用方式，同Windows的系統目錄(../system32等)一樣，可以将動态庫檔案拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄裡面建立符号連接配接，以便所有使用者使用。下面介紹Linux調用動态庫經常使用的函數，但在使用動态庫時，源程式必須包含dlfcn.h頭檔案，該檔案定義調用動态連結庫的函數的原型。   　　 (1)_打開動态連結庫：dlopen，函數原型void *dlopen (const char *filename, int flag);   dlopen用于打開指定名字(filename)的動态連結庫，并傳回操作句柄。   　　 (2)取函數執行位址：dlsym，函數原型為: void *dlsym(void *handle, char *symbol);   dlsym根據動态連結庫操作句柄(handle)與符号(symbol)，傳回符号對應的函數的執行代碼位址。   　　 (3)關閉動态連結庫：dlclose，函數原型為: int dlclose (void *handle);   dlclose用于關閉指定句柄的動态連結庫，隻有當此動态連結庫的使用計數為0時,才會真正被系統解除安裝。   　　 (4)動态庫錯誤函數：dlerror，函數原型為: const char *dlerror(void); 當動态連結庫操作函數執行失敗時，dlerror可以傳回出錯資訊，傳回值為NULL時表示操作函數執行成功。   　　 在取到函數執行位址後，就可以在動态庫的使用程式裡面根據動态庫提供的函數接口聲明調用動态庫裡面的函數。在編寫調用動态庫的程式的makefile檔案時，需要加入編譯選項-rdynamic和-ldl。   　　 除了采用這種方式編寫和調用動态庫之外，Linux作業系統也提供了一種更為友善的動态庫調用方式，也友善了其它程式調用，這種方式與Windows系統的隐式連結類似。其動态庫命名方式為“lib*.so.*”。在這個命名方式中，第一個*表示動态連結庫的庫名，第二個*通常表示該動态庫的版本号，也可以沒有版本号。在這種調用方式中，需要維護動态連結庫的配置檔案/etc/ld.so.conf來讓動态連結庫為系統所使用，通常将動态連結庫所在目錄名追加到動态連結庫配置檔案中。如具有X window視窗系統發行版該檔案中都具有/usr/X11R6/lib，它指向X window視窗系統的動态連結庫所在目錄。為了使動态連結庫能為系統所共享，還需運作動态連結庫的管理指令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動态庫時，可以在gcc采用 ?l或-L選項或直接引用所需的動态連結庫方式進行編譯。在Linux裡面，可以采用ldd指令來檢查程式依賴共享庫。   3 分析Windows和Linux動态庫 3、兩種系統動态庫比較分析   　　 Windows和Linux采用動态連結庫技術目的是基本一緻的，但由于作業系統的不同，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)動态庫程式編寫，在Windows系統下的執行檔案格式是PE格式，動态庫需要一個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編譯的執行檔案預設是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要到函數做特别聲明，編寫比較友善。   　　 (2)動态庫編譯，在windows系統下面，有友善的調試編譯環境，通常不用自己去編寫makefile檔案，但在linux下面，需要自己動手去編寫makefile檔案，是以，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)動态庫調用方面，Windows和Linux對其下編制的動态庫都可以采用顯式調用或隐式調用，但具體的調用方式也不盡相同。   　　 (4)動态庫輸出函數檢視，在Windows中，有許多工具和軟體可以進行檢視DLL中所輸出的函數，例如指令行方式的dumpbin以及VC 工具中的DEPENDS程式。在Linux系統中通常采用nm來檢視輸出函數，也可以使用ldd檢視程式隐式連結的共享對象檔案。   　　 (5)對作業系統的依賴，這兩種動态庫運作依賴于各自的作業系統，不能跨平台使用。是以，對于實作相同功能的動态庫，必須為兩種不同的作業系統提供不同的動态庫版本。   4、動态庫移植方法   　　 如果要編制在兩個系統中都能使用的動态連結庫，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界面比vi和gcc友善許多。完成測試之後，再進行動态庫的程式移植。通常gcc預設的編譯規則比VC 預設的編譯規則嚴格，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中采用-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)盡量不要改變原有動态庫頭檔案的順序。通常在C/C 語言中，頭檔案的順序有相當的關系。另外雖然C/C 語言區分大小寫，但在包含頭檔案時，Linux必須與頭檔案的大小寫相同，因為ext2檔案系統對檔案名是大小寫敏感，否則不能正确編譯，而在Windows下面，頭檔案大小寫可以正确編譯。   　　 (2)不同系統獨有的頭檔案。在Windows系統中，通常會包括windows.h頭檔案，如果調用底層的通信函數，則會包含winsock..h頭檔案。是以在移植到Linux系統時，要注釋掉這些Windows系統獨有的頭檔案以及一些windows系統的常量定義說明，增加Linux都底層通信的支援的頭檔案等。   　　 (3)資料類型。VC 具有許多獨有的資料類型，如__int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支援它們。通常做法是需要将windows.h和basetypes.h中對這些資料進行定義的語句複制到一個頭檔案中，再在Linux中包含這個頭檔案。例如将套接字的類型為SOCKET改為int。   　　 (4)關鍵字。VC 中具有許多标準C中所沒有采用的關鍵字，如BOOL，BYTE，DWORD，__asm等，通常在為了移植友善，盡量不使用它們，如果實在無法避免可以采用#ifdef 和#endif為LINUX和WINDOWS編寫兩個版本。   　　 (5)函數原型的修改。通常如果采用标準的C/C 語言編寫的動态庫，基本上不用再重新編寫函數，但對于系統調用函數，由于兩種系統的差別，需要改變函數的調用方式等，如在Linux編制的網絡通信動态庫中，用close()函數代替windows作業系統下的closesocket()函數來關閉套接字。另外在Linux下沒有檔案句柄，要打開檔案可用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下面通常由VC 編譯器來負責調試，但gcc需要自己動手編寫makefile檔案，也可以參照VC 生成的makefile檔案。對于動态庫移植，編譯動态庫時需要加入-shared選項。對于采用數學函數，如幂級數的程式，在調用動态庫是，需要加入-lm。   　　 (7)其它一些需要注意的地方   　　 ①程式設計結構分析，對于移植它人編寫的動态庫程式，程式結構分析是必不可少的步驟，通常在動态庫程式中，不會包含界面等操作，是以相對容易一些。   　　 ②在Linux中，對檔案或目錄的權限分為擁有者、群組、其它。是以在存取檔案時，要注意對檔案是讀還是寫操作，如果是對檔案進行寫操作，要注意修改檔案或目錄的權限，否則無法對檔案進行寫。   　　 ③指針的使用，定義一個指針隻給它配置設定四個位元組的記憶體，如果要對指針所指向的變量指派，必須用malloc函數為它配置設定記憶體或不把它定義為指針而定義為變量即可，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。   　　 ④路徑辨別符，在Linux下是“/”，在Windows下是“/”，注意windows和Linux的對動态庫搜尋路徑的不同。  　　 ⑤程式設計和調試技巧方面。對不同的調試環境有不同的調試技巧，在這裡不多叙述。   　　 5、結束語   　　 本文系統分析了windows和Linux動态庫實作和使用方式，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，給出了将VC 編制的Windows動态庫移植到Linux下的方法以及需要注意的問題，同時并給出了程式示例片斷，實際在程式移植過程中，由于系統的設計等方面，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。