Статические библиотеки (C++/CX)
Статическая библиотека, используемая в приложении универсальная платформа Windows (UWP), может содержать код C++ стандарта ISO, включая типы STL, а также вызовы API Win32, которые не исключены из платформы приложений среда выполнения Windows. Статическая библиотека использует компоненты среда выполнения Windows и может создавать компоненты среда выполнения Windows с определенными ограничениями.
Создание статических библиотек
Инструкции по созданию проекта зависят от установленной версии Visual Studio. Чтобы ознакомиться с документацией по предпочтительной версии Visual Studio, используйте селектор Версия. Он находится в верхней части оглавления на этой странице.
Создание статической библиотеки UWP в Visual Studio
- В строке меню выберите «Файл>нового проекта«>, чтобы открыть диалоговое окно «Создать проект».
- В верхней части диалогового окна задайте для языка C ++, установите для Платформы значение «Платформа« и задайте тип проекта uWP.
- В отфильтрованном списке типов проектов выберите статическую библиотеку (универсальная windows — C++/CX), а затем нажмите кнопку «Далее«. На следующей странице укажите имя проекта и укажите расположение проекта при необходимости.
- Нажмите кнопку Создать, чтобы создать проект.
Создание статической библиотеки UWP в Visual Studio 2017 или Visual Studio 2015
- В строке меню выберите Файл >Создать >Проект. В разделе Visual C++>Windows universal выберите статическую библиотеку (универсальная windows).
- В области Обозреватель решенийоткройте контекстное меню для проекта и выберите пункт Свойства. В диалоговом окне «Свойства» на странице свойств>конфигурации C/C++ установите для параметра «Использовать расширение среда выполнения Windows» значение «Да» (/ZW).
При компиляции новой статической библиотеки при вызове API Win32, исключенном для приложений UWP, компилятор вызовет ошибку C3861 , «Идентификатор не найден». Чтобы найти альтернативный метод, поддерживаемый для среда выполнения Windows, см. статью «Альтернатива API Windows» в приложениях UWP.
При добавлении проекта статической библиотеки C++ в решение приложения UWP может потребоваться обновить параметры свойств проекта библиотеки, чтобы свойство поддержки UWP было задано как «Да«. Без этого параметра код создает и ссылки, но возникает ошибка при попытке проверить приложение для Microsoft Store. Статическая библиотека должна компилироваться с теми же параметрами компилятора, что и проект, в котором она используется.
При использовании статической библиотеки, которая создает открытые классы ref , открытые классы интерфейсов или открытые классы значений, компоновщик выдает следующее предупреждение:
предупреждение LNK4264: архивирование файла объектов, скомпилированного с помощью /ZW в статическую библиотеку; обратите внимание, что при создании типов среда выполнения Windows не рекомендуется связываться со статической библиотекой, содержащей метаданные среда выполнения Windows.
Вы можете безопасно игнорировать предупреждение, только если статическая библиотека не создает среда выполнения Windows компоненты, используемые за пределами самой библиотеки. Если библиотека не использует компонент, который он определяет, компоновщик может оптимизировать реализацию, даже если общедоступные метаданные содержат сведения о типе. Это означает, что открытые компоненты в статической библиотеке будут скомпилированы, но не активируются во время выполнения. По этой причине любой среда выполнения Windows компонент, предназначенный для использования другими компонентами или приложениями, должен быть реализован в библиотеке динамической компоновки (DLL).
Что такое статическая библиотека
Для создания статических библиотек существует специальная простая программа называемая ar (сокр. от archiver — архиватор). Она используется для создания, модификации и просмотра объектных файлов в статических библиотеках, которые в действительности представляют из себя простые архивы.
Давайте вернемся к проекту из шага «Шаг 3 — Компиляция нескольких файлов» и создадим из файлов f1.c и f2.c отдельную библиотеку. Для начала компилируем эти файлы:
dron:~# gcc -c f1.c f2.c
В результате получим, как обычно, два файла — f1.o и f2.o. Для того, чтобы создать библиотеку из объектых файлов надо вызвать программу ar со следующими параметрами:
ar rc libимя_библиотеки.a [список_*.o_файлов]
Допустим наша библиотека будет называться fs, тогда команда запишется в виде:
dron:~# ar rc libfs.a f1.o f2.o
В результате получим файл libfs.a, в котором будут лежать копии объектых файлов f1.o и f2.o. Если файл библиотеки уже существует, то архиватор будет анализировать содержимое архива, он добавит новые объектные файлы и заменит старые обновленными версиями. Опция c заставляет создавать (от create) библиотеку, если ее нет, а опция r (от replace) заменяет старые объектные файлы новыми версиями.
Пока у нас есть лишь архивный файл libfs.a. Чтобы из него сделать полноценную библиотеку объектных файлов надо добавить к этому архиву индекс символов, т.е. список вложенных в библиотеку функций и переменных, чтобы линковка происходила быстрее. Далается это командой:
ranlib libимя_библиотеки.a
Программа ranlib добавит индекс к архиву и получится полноценная статическая библиотека объектных файлов. Стоит отметить, что на некоторых системах программа ar автоматически создает индекс, и использование ranlib не имеет никакого эффекта. Но тут надо быть осторожным при атоматической компиляции библиотеки с помощью файлов makefile, если вы не будете использовать утилиту ranlib, то возможно на каких-то системах библиотеки будут создаваться не верно и потеряется независимость от платформы. Так что возьмем за правило тот факт, что утилиту ranlib надо запускать в любом случае, даже если он нее нет никакого эффекта.
Для компиляции нашего основного файла main.c надо сообщить компилятору, что надо использовать библиотеки. Чтобы компилятор знал где искать библиотеки ему надо сообщить каталог, в котором они содержатся и список этих билиотек. Каталог с библиотеками указывается ключом -L, в нашем случае библиотека находится в текущем каталоге, значит путь до нее будет в виде точки (-L.). Используемые библиотеки перечисляются через ключ -l, после которого указывается название библиотеки без префикса lib и окончания .a. В нашем случае этот ключ будет выглядеть, как -lfs. Теперь все одной командой:
dron:~# gcc -c main.c dron:~# gcc main.o -L. -lfs -o rezult
Или можно чуть короче:
dron:~# gcc main.c -L. -lfs -o rezult
Заметьте, что компилятору нужны библиотеки на этапе создания конечного файла, т.е. линковки. В первом случае процесс компиляции совершается первой командой, а сборка файла второй командой. Если же мы попытаемся подсунуть библиотеку на этапе компиляции, то получим вежливый ответ:
dron:~# gcc -c main.c -L. -lfs gcc: -lfs: linker input file unused since linking not done
Что означает, что файлы библиотек не нужны, до процесса линковки. Данная команда создаст лишь файл main.o, который в итоге потом придется собирать отдельно.
в чём разница между статической и динамической библиотекой?
В общем я подключил динамическую библиотеку.
Статическая представляет собой собрание *.obj-файлов библиотеки в *.lib, который мы можем, указав линкеру, прицепить к нашей программе в момент компиляции. Содержимой библиотеки, как всегда, описывается в хэдерах, которые распространяются вместе с *.lib . На выходе мы получим одинокий исполняемый файл вашей программы (.exe). А ещё статические библиотеки увеличивают размер кода в двоичном формате. Они всегда загружаются, и любая версия кода, скомпилированного вами, — это версия запускаемого кода :3.
Динамическая линковка выполняется средствами платформы (операционной системы) в процессе работы программы. Все так же у нас в руках *.lib и *.h файлы, однако, теперь к ним добавляется .dll (.so для Linux). *.lib-файл теперь содержит только вызовы к *.dll, где лежат непосредственно алгоритмы и которые вызываются уже на ходу, а не компилируются. Потому теперь у нас *.exe + *.dll . Несколько программ могут использовать один *.dll одновременно, тем самым не занимая оперативную память одинаковыми кусками и сами программы меньше размером. Так, например, работают многие драйверы и графические библиотеки (DirectX и OpenGL). Однако, сейчас это не такая актуальная проблема, тянут недостатки — несовместимости версий, отсутствие нужных библиотек, ад зависимостей для установки приложений (работая в Linux с графическим окружением Gnome (основанной на библиотеке GTK+) если скачать малюсенький текстовый редактор Kate для ГО KDE (основанной на Qt), то придется тянуть этот-самый Qt на десятки мегабайт). Потому, сейчас рекомендуют не увлекаться динамической линковкой и стараться связывать программы статически. Да и *.dll придется таскать с собой :3
Что такое статическая библиотека
Как уже неоднократно упоминалось в предыдущей главе, библиотека — это набор скомпонованных особым образом объектных файлов. Библиотеки подключаются к основной программе во время линковки. По способу компоновки библиотеки подразделяют на архивы (статические библиотеки, static libraries) и совместно используемые (динамические библиотеки, shared libraries). В Linux, кроме того, есть механизмы динамической подгрузки библиотек. Суть динамической подгрузки состоит в том, что запущенная программа может по собственному усмотрению подключить к себе какую-либо библиотеку. Благодаря этой возможности создаются программы с подключаемыми плагинами, такие как XMMS. В этой главе мы не будем рассматривать динамическую подгрузку, а остановимся на классическом использовании статических и динамических библиотек.
С точки зрения модели КИС, библиотека — это сервер. Библиотеки несут в себе одну важную мысль: возможность использовать одни и те же механизмы в разных программах. В Linux библиотеки используются повсеместно, поскольку это очень удобный способ «не изобретать велосипеды». Даже ядро Linux в каком-то смысле представляет собой библиотеку механизмов, называемых системными вызовами.
Статическая библиотека — это просто архив объектных файлов, который подключается к программе во время линковки. Эффект такой же, как если бы вы подключали каждый из файлов отдельно.
В отличие от статических библиотек, код совместно используемых (динамических) библиотек не включается в бинарник. Вместо этого в бинарник включается только ссылка на библиотеку.
Рассмотрим преимущества и недостатки статических и совместно используемых библиотек. Статические библиотеки делают программу более автономной: программа, скомпонованная со статической библиотекой может запускаться на любом компьютере, не требуя наличия этой библиотеки (она уже «внутри» бинарника). Программа, скомпонованная с динамической библиотекой, требует наличия этой библиотеки на том компьютере, где она запускается, поскольку в бинарнике не код, а ссылка на код библиотеки. Не смотря на такую зависимость, динамические библиотеки обладают двумя существенными преимуществами. Во-первых, бинарник, скомпонованный с совместно используемой библиотекой меньше размером, чем такой же бинарник, с подключенной к нему статической библиотекой (статически скомпонованный бинарник). Во-вторых, любая модернизация динамической библиотеки, отражается на всех программах, использующих ее. Таким образом, если некоторую библиотеку foo используют 10 программ, то исправление какой-нибудь ошибки в foo или любое другое улучшение библиотеки автоматически улучшает все программы, которые используют эту библиотеку. Именно поэтому динамические библиотеки называют совместно используемыми. Чтобы применить изменения, внесенные в статическую библиотеку, нужно пересобрать все 10 программ.
В Linux статические библиотеки обычно имеют расширение .a (Archive), а совместно используемые библиотеки имеют расширение .so (Shared Object). Хранятся библиотеки, как правило, в каталогах /lib и /usr/lib. В случае иного расположения (относится только к совместно используемым библиотекам), приходится немного «подшаманить», чтобы программа запустилась.
3.2. Пример статической библиотеки
Теперь давайте создадим свою собственную библиотеку, располагающую двумя функциями: h_world() и g_world(), которые выводят на экран «Hello World» и «Goodbye World» соответственно. Начнем со статической библиотеки.
Начнем с интерфейса. Создадим файл world.h:
/* world.h */ void h_world (void); void g_world (void);
Здесь просто объявлены функции, которые будут использоваться.
Теперь надо реализовать серверы. Создадим файл h_world.c:
/* h_world.c */ #include #include "world.h" void h_world (void)
Теперь создадим файл g_world.c, содержащий реализацию функции g_world():
/* g_world.c */ #include #include "world.h" void g_world (void)
Можно было бы с таким же успехом уместить обе функции в одном файле (hello.c, например), однако для наглядности мы разнесли код на два файла.
Теперь создадим файл main.c. Это клиент, который будет пользоваться услугами сервера:
/* main.c */ #include "world.h" int main (void)
Теперь напишем сценарий для make. Для этого создаем Makefile:
# Makefile for World project binary: main.o libworld.a gcc -o binary main.o -L. -lworld main.o: main.c gcc -c main.c libworld.a: h_world.o g_world.o ar cr libworld.a h_world.o g_world.o h_world.o: h_world.c gcc -c h_world.c g_world.o: g_world.c gcc -c g_world.c clean: rm -f *.o *.a binary
Не забывайте ставить табуляции перед каждым правилом в целевых связках.
$ make gcc -c main.c gcc -c h_world.c gcc -c g_world.c ar cr libworld.a h_world.o g_world.o gcc -o binary main.o -L. -lworld $
Осталось только проверить, работает ли программа и разобраться, что же мы такое сделали:
$ ./binary Hello World Goodbye World $
Итак, в приведенном примере появились три новые вещи: опции -l и -L компилятора, а также команда ar. Начнем с последней. Как вы уже догадались, команда ar создает статическую библиотеку (архив). В нашем случае два объектных файла объединяются в один файл libworld.a. В Linux практически все библиотеки имеют префикс lib.
Как уже говорилось, компилятор gcc сам вызывает линковщик, когда это нужно. Опция -l, переданная компилятору, обрабатывается и посылается линковщику для того, чтобы тот подключил к бинарнику библиотеку. Как вы уже заметили, у имени библиотеки «обрублены» префикс и суффикс. Это делается для того, чтобы создать «видимое безразличие» между статическими и динамическими библиотеками. Но об этом речь пойдет в других главах книги. Сейчас важно знать лишь то, что и библиотека libfoo.so и библиотека libfoo.a подключаются к проекту опцией -lfoo. В нашем случае libworld.a «урезалось» до -lworld.
Опция -L указывает линковщику, где ему искать библиотеку. В случае, если библиотека располагается в каталоге /lib или /usr/lib, то вопрос отпадает сам собой и опция -L не требуется. В нашем случае библиотека находится в репозитории (в текущем каталоге). По умолчанию линковщик не просматривает текущий каталог в поиске библиотеки, поэтому опция -L. (точка означает текущий каталог) необходима.
3.3. Пример совместно используемой библиотеки
Для того, чтобы создать и использовать динамическую (совместно используемую) библиотеку, достаточно переделать в нашем проекте Makefile.
# Makefile for World project binary: main.o libworld.so gcc -o binary main.o -L. -lworld -Wl,-rpath,. main.o: main.c gcc -c main.c libworld.so: h_world.o g_world.o gcc -shared -o libworld.so h_world.o g_world.o h_world.o: h_world.c gcc -c -fPIC h_world.c g_world.o: g_world.c gcc -c -fPIC g_world.c clean: rm -f *.o *.so binary
Внешне ничего не изменилось: программа компилируется, запускается и выполняет те же самые действия, что и в предыдущем случае. Изменилась внутренняя суть, которая играет для программиста первоочередную роль. Рассмотрим все по порядку.
Правило для сборки binary теперь содержит пугающую опцию -Wl,-rpath,. Ничего страшного тут нет. Как уже неоднократно говорилось, компилятор gcc сам вызывает линковщик ld, когда это надо и передает ему нужные параметры сборки, избавляя нас от ненужной платформенно-зависимой волокиты. Но иногда мы все-таки должны вмешаться в этот процесс и передать линковщику «свою» опцию. Для этого используется опция компилятора -Wl,option,optargs. Расшифровываю: передать линковщику (-Wl) опцию option с аргументами optargs. В нашем случае мы передаем линковщику опцию -rpath с аргументом . (точка, текущий каталог). Возникает вопрос: что означает опция -rpath? Как уже говорилось, линковщик ищет библиотеки в определенных местах; обычно это каталоги /lib и /usr/lib, иногда /usr/local/lib. Опция -rpath просто добавляет к этому списку еще один каталог. В нашем случае это текущий каталог. Без указания опции -rpath, линковщик «молча» соберет программу, но при запуске нас будет ждать сюрприз: программа не запустится из-за отсутствия библиотеки. Попробуйте убрать опцию -Wl,-rpath,. из Makefile и пересоберите проект. При попытке запуска программа binary завершится с кодом возврата 127 (о кодах возврата будет рассказано в последующих главах). То же самое произойдет, если вызвать программу из другого каталога. Верните обратно -Wl,-rpath. пересоберите проект, поднимитесь на уровень выше командой cd .. и попробуйте запустить бинарник командой world/binary. Ничего не получится, поскольку в новом текущем каталоге библиотеки нет.
Есть один способ не передавать линковщику дополнительных опций при помощи -Wl — это использование переменной окружения LD_LIBRARY_PATH. В последующих главах мы будем подробно касаться темы окружения (environment). Сейчас лишь скажу, что у каждого пользователя есть так называемое окружение (environment) представляющее собой набор пар ПЕРЕМЕННАЯ=ЗНАЧЕНИЕ, используемых программами. Чтобы посмотреть окружение, достаточно набрать команду env. Чтобы добавить в окружение переменную, достаточно набрать export ПЕРЕМЕННАЯ=ЗНАЧЕНИЕ, а чтобы удалить переменную из окружения, надо набрать export -n ПЕРЕМЕННАЯ. Будьте внимательны: export — это внутреннаяя команда оболочки BASH; в других оболочках (csh, ksh, . ) используются другие команды для работы с окружением. Переменная окружения LD_LIBRARY_PATH содержит список дополнительных «мест», разделенных двоеточиеями, где линковщих должен искать библиотеку.
Не смотря на наличие двух механизмов передачи информации о нестандартном расположении библиотек, лучше помещать библиотеки в конечных проектах в /lib и в /usr/lib. Допускается расположение библиотек в подкаталоги /usr/lib и в /usr/local/lib (с указанем -Wl,-rpath). Но заставлять конечного пользователя устанавливать LD_LIBRARY_PATH почти всегда является плохим стилем программирования.
Следующая немаловажная деталь — это процесс создания самой библиотеки. Статические библиотеки создаются при помощи архиватора ar, а совместно используемые — при помощи gcc с опцией -shared. В данном случае gcc опять же вызывает линковщик, но не для сборки бинарника, а для создания динамической библиотеки.
Последнее отличие — опциии -fPIC (-fpic) при компиляции h_world.c и g_world.c. Эта опция сообщает компилятору, что объектные файлы, полученные в результате компиляции должны содержать позиционно-независимый код (PIC — Position Independent Code), который используется в динамических библиотеках. В таком коде используются не фиксированные позиции (адреса), а плавающие, благодаря чему код из библиотеки имеет возможность подключаться к программе в момент запуска.