深入分析Windows和Linux動態(tài)庫應(yīng)用異同

深入分析Windows和Linux動態(tài)庫應(yīng)用異同

摘要：動態(tài)鏈接庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)和設(shè)計程序常用的技術(shù)，在Windows和Linux系統(tǒng)中都有動態(tài)庫的概念，采用動態(tài)庫可以有效的減少程序大小，節(jié)省空間，提高效率，增加程序的可擴(kuò)展性，便于模塊化管理。

但不同操作系統(tǒng)的動態(tài)庫由于格式 不同，在需要不同操作系統(tǒng)調(diào)用時需要進(jìn)行動態(tài)庫程序移植。本文分析和比較了兩種操作系統(tǒng)動態(tài)庫技術(shù)，并給出了將Visual C++編制的動態(tài)庫移植到Linux上的方法和經(jīng)驗(yàn)。

1、引言

動態(tài)庫（Dynamic Link Library abbr，DLL）技術(shù)是程序設(shè)計中經(jīng)常采用的技術(shù)。其目的減少程序的大小，節(jié)省空間，提高效率，具有很高的靈活性。

采用動態(tài)庫技術(shù)對于升級軟件版本更加容易。與靜態(tài)庫（Static Link Library）不同，動態(tài)庫里面的函數(shù)不是執(zhí)行程序本身的一部分，而是根據(jù)執(zhí)行需要按需載入，其執(zhí)行代碼可以同時在多個程序中共享。

在Windows和Linux操作系統(tǒng)中，都可采用這種方式進(jìn)行軟件設(shè)計，但他們的調(diào)用方式以及程序編制方式不盡相同。本文首先分析了在這兩種操作系統(tǒng)中通常采用的動態(tài)庫調(diào)用方法以及程序編制方式，然后分析比較了這兩種方式的不同之處，最后根據(jù)實(shí)際移植程序經(jīng)驗(yàn)，介紹了將VC++編制的Windows動態(tài)庫移植到Linux下的方法。

2、動態(tài)庫技術(shù)

2.1 Windows動態(tài)庫技術(shù)

動態(tài)鏈接庫是實(shí)現(xiàn)Windows應(yīng)用程序共享資源、節(jié)省內(nèi)存空間、提高使用效率的一個重要技術(shù)手段。常見的動態(tài)庫包含外部函數(shù)和資源，也有一些動態(tài)庫只包含資源，如Windows字體資源文件，稱之為資源動態(tài)鏈接庫。通常動態(tài)庫以.dll，.drv、.fon等作為后綴。

相應(yīng)的windows靜態(tài)庫通常以.lib結(jié)尾，Windows自己就將一些主要的系統(tǒng)功能以動態(tài)庫模塊的形式實(shí)現(xiàn)。

Windows動態(tài)庫在運(yùn)行時被系統(tǒng)加載到進(jìn)程的虛擬空間中，使用從調(diào)用進(jìn)程的虛擬地址空間分配的內(nèi)存，成為調(diào)用進(jìn)程的一部分。DLL也只能被該進(jìn)程的線程所訪問。DLL的句柄可以被調(diào)用進(jìn)程使用；調(diào)用進(jìn)程的句柄可以被DLL使用。

DLL模塊中包含各種導(dǎo)出函數(shù)，用于向外界提供服務(wù)。DLL可以有自己的數(shù)據(jù)段，但沒有自己的堆棧，使用與調(diào)用它的應(yīng)用程序相同的堆棧模式；一個DLL在內(nèi)存中只有一個實(shí)例；DLL實(shí)現(xiàn)了代碼封裝性；DLL的編制與具體的編程語言及編譯器無關(guān)，可以通過DLL來實(shí)現(xiàn)混合語言編程。DLL函數(shù)中的代碼所創(chuàng)建的任何對象（包括變量）都?xì)w調(diào)用它的線程或進(jìn)程所有。

根據(jù)調(diào)用方式的不同，對動態(tài)庫的調(diào)用可分為靜態(tài)調(diào)用方式和動態(tài)調(diào)用方式。

(1)靜態(tài)調(diào)用，也稱為隱式調(diào)用，由編譯系統(tǒng)完成對DLL的加載和應(yīng)用程序結(jié)束時DLL卸載的編碼（Windows系統(tǒng)負(fù)責(zé)對DLL調(diào)用次數(shù)的計數(shù)），調(diào)用方式簡單，能夠滿足通常的要求。通常采用的調(diào)用方式是把產(chǎn)生動態(tài)連接庫時產(chǎn)生的.LIB文件加入到應(yīng)用程序的工程中，想使用DLL中的函數(shù)時，只須在源文件中聲明一下。

LIB文件包含了每一個DLL導(dǎo)出函數(shù)的符號名和可選擇的標(biāo)識號以及DLL文件名，不含有實(shí)際的代碼。Lib文件包含的信息進(jìn)入到生成的應(yīng)用程序中，被調(diào)用的DLL文件會在應(yīng)用程序加載時同時加載在到內(nèi)存中。

(2)動態(tài)調(diào)用，即顯式調(diào)用方式，是由編程者用API函數(shù)加載和卸載DLL來達(dá)到調(diào)用DLL的目的，比較復(fù)雜，但能更加有效地使用內(nèi)存，是編制大型應(yīng)用程序時的重要方式。在Windows系統(tǒng)中，與動態(tài)庫調(diào)用有關(guān)的函數(shù)包括：

①LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動態(tài)庫。

②GetProcAddress，獲取要引入的函數(shù)，將符號名或標(biāo)識號轉(zhuǎn)換為DLL內(nèi)部地址。

③FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動態(tài)鏈接庫。

在windows中創(chuàng)建動態(tài)庫也非常方便和簡單。在Visual C++中，可以創(chuàng)建不用MFC而直接用C語言寫的DLL程序，也可以創(chuàng)建基于MFC類庫的DLL程序。每一個DLL必須有一個入口點(diǎn)，在VC++中，DllMain是一個缺省的入口函數(shù)。DllMain負(fù)責(zé)初始化(Initialization)和結(jié)束(Termination)工作。

動態(tài)庫輸出函數(shù)也有兩種約定，分別是基于調(diào)用約定和名字修飾約定。DLL程序定義的函數(shù)分為內(nèi)部函數(shù)和導(dǎo)出函數(shù)，動態(tài)庫導(dǎo)出的函數(shù)供其它程序模塊調(diào)用。通?？梢杂邢旅鎺追N方法導(dǎo)出函數(shù)：

①采用模塊定義文件的EXPORT部分指定要輸入的函數(shù)或者變量。

②使用MFC提供的修飾符號_declspec(dllexport)。

③以命令行方式，采用/EXPORT命令行輸出有關(guān)函數(shù)。

在windows動態(tài)庫中，有時需要編寫模塊定義文件(.DEF)，它是用于描述DLL屬性的模塊語句組成的文本文件。

2.2 Linux共享對象技術(shù)

在Linux操作系統(tǒng)中，采用了很多共享對象技術(shù)（Shared Object），雖然它和Windows里的動態(tài)庫相對應(yīng)，但它并不稱為動態(tài)庫。相應(yīng)的共享對象文件以.so作為后綴，為了方便，在本文中，對該概念不進(jìn)行專門區(qū)分。Linux系統(tǒng)的/lib以及標(biāo)準(zhǔn)圖形界面的/usr/X11R6/lib等目錄里面，就有許多以so結(jié)尾的共享對象。

同樣，在Linux下，也有靜態(tài)函數(shù)庫這種調(diào)用方式，相應(yīng)的后綴以.a結(jié)束。Linux采用該共享對象技術(shù)以方便程序間共享，節(jié)省程序占有空間，增加程序的可擴(kuò)展性和靈活性。Linux還可以通過LD-PRELOAD變量讓開發(fā)人員可以使用自己的程序庫中的模塊來替換系統(tǒng)模塊。

同Windows系統(tǒng)一樣，在Linux中創(chuàng)建和使用動態(tài)庫是比較容易的事情，在編譯函數(shù)庫源程序時加上-shared選項(xiàng)即可，這樣所生成的執(zhí)行程序就是動態(tài)鏈接庫。通常這樣的程序以so為后綴，在Linux動態(tài)庫程序設(shè)計過程中，通常流程是編寫用戶的接口文件，通常是.h文件，編寫實(shí)際的函數(shù)文件，以.c或.cpp為后綴，再編寫makefile文件。對于較小的動態(tài)庫程序可以不用如此，但這樣設(shè)計使程序更加合理。

編譯生成動態(tài)連接庫后，進(jìn)而可以在程序中進(jìn)行調(diào)用。在Linux中，可以采用多種調(diào)用方式，同Windows的系統(tǒng)目錄(..\system32等)一樣，可以將動態(tài)庫文件拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄里面建立符號連接，以便所有用戶使用。

下面介紹Linux調(diào)用動態(tài)庫經(jīng)常使用的函數(shù)，但在使用動態(tài)庫時，源程序必須包含dlfcn.h頭文件，該文件定義調(diào)用動態(tài)鏈接庫的函數(shù)的原型。

(1)_打開動態(tài)鏈接庫：dlopen，函數(shù)原型void *dlopen (const char *filename, int flag); dlopen用于打開指定名字(filename)的動態(tài)鏈接庫，并返回操作句柄。

(2)取函數(shù)執(zhí)行地址：dlsym，函數(shù)原型為: void *dlsym(void *handle, char *symbol); dlsym根據(jù)動態(tài)鏈接庫操作句柄(handle)與符號(symbol)，返回符號對應(yīng)的函數(shù)的執(zhí)行代碼地址。

(3)關(guān)閉動態(tài)鏈接庫：dlclose，函數(shù)原型為: int dlclose (void *handle); dlclose用于關(guān)閉指定句柄的動態(tài)鏈接庫，只有當(dāng)此動態(tài)鏈接庫的使用計數(shù)為0時,才會真正被系統(tǒng)卸載。

(4)動態(tài)庫錯誤函數(shù)：dlerror，函數(shù)原型為: const char *dlerror(void); 當(dāng)動態(tài)鏈接庫操作函數(shù)執(zhí)行失敗時，dlerror可以返回出錯信息，返回值為NULL時表示操作函數(shù)執(zhí)行成功。

在取到函數(shù)執(zhí)行地址后，就可以在動態(tài)庫的使用程序里面根據(jù)動態(tài)庫提供的函數(shù)接口聲明調(diào)用動態(tài)庫里面的函數(shù)。在編寫調(diào)用動態(tài)庫的程序的makefile文件時，需要加入編譯選項(xiàng)-rdynamic和-ldl。

除了采用這種方式編寫和調(diào)用動態(tài)庫之外，Linux操作系統(tǒng)也提供了一種更為方便的動態(tài)庫調(diào)用方式，也方便了其它程序調(diào)用，這種方式與Windows系統(tǒng)的隱式鏈接類似。其動態(tài)庫命名方式為“l(fā)ib*.so.*”。在這個命名方式中，第一個*表示動態(tài)鏈接庫的庫名，第二個*通常表示該動態(tài)庫的版本號，也可以沒有版本號。

在這種調(diào)用方式中，需要維護(hù)動態(tài)鏈接庫的配置文件/etc/ld.so.conf來讓動態(tài)鏈接庫為系統(tǒng)所使用，通常將動態(tài)鏈接庫所在目錄名追加到動態(tài)鏈接庫配置文件中。如具有X window窗口系統(tǒng)發(fā)行版該文件中都具有/usr/X11R6/lib，它指向X window窗口系統(tǒng)的動態(tài)鏈接庫所在目錄。

為了使動態(tài)鏈接庫能為系統(tǒng)所共享，還需運(yùn)行動態(tài)鏈接庫的管理命令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動態(tài)庫時，可以在gcc采用 –l或-L選項(xiàng)或直接引用所需的動態(tài)鏈接庫方式進(jìn)行編譯。在Linux里面，可以采用ldd命令來檢查程序依賴共享庫。

3、兩種系統(tǒng)動態(tài)庫比較分析

Windows和Linux采用動態(tài)鏈接庫技術(shù)目的是基本一致的，但由于操作系統(tǒng)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(jìn)行闡述。

(1)動態(tài)庫程序編寫，在Windows系統(tǒng)下的執(zhí)行文件格式是PE格式，動態(tài)庫需要一個DllMain函數(shù)作為初始化的人口，通常在導(dǎo)出函數(shù)的聲明時需要有_declspec(dllexport)關(guān)鍵字。Linux下的gcc編譯的執(zhí)行文件默認(rèn)是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要到函數(shù)做特別聲明，編寫比較方便。

(2)動態(tài)庫編譯，在windows系統(tǒng)下面，有方便的調(diào)試編譯環(huán)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(guī)則相對嚴(yán)格。

(3)動態(tài)庫調(diào)用方面，Windows和Linux對其下編制的動態(tài)庫都可以采用顯式調(diào)用或隱式調(diào)用，但具體的調(diào)用方式也不盡相同。

(4)動態(tài)庫輸出函數(shù)查看，在Windows中，有許多工具和軟件可以進(jìn)行查看DLL中所輸出的函數(shù)，例如命令行方式的dumpbin以及VC++工具中的DEPENDS程序。在Linux系統(tǒng)中通常采用nm來查看輸出函數(shù)，也可以使用ldd查看程序隱式鏈接的共享對象文件。

(5)對操作系統(tǒng)的依賴，這兩種動態(tài)庫運(yùn)行依賴于各自的操作系統(tǒng)，不能跨平臺使用。因此，對于實(shí)現(xiàn)相同功能的動態(tài)庫，必須為兩種不同的操作系統(tǒng)提供不同的動態(tài)庫版本。

4、動態(tài)庫移植方法

如果要編制在兩個系統(tǒng)中都能使用的動態(tài)鏈接庫，通常會先選擇在Windows的VC++提供的調(diào)試環(huán)境中完成初始的開發(fā)，畢竟VC++提供的圖形化編輯和調(diào)試界面比vi和gcc方便許多。完成測試之后，再進(jìn)行動態(tài)庫的程序移植。

通常gcc默認(rèn)的編譯規(guī)則比VC++默認(rèn)的編譯規(guī)則嚴(yán)格，即使在VC++下面沒有任何警告錯誤的程序在gcc調(diào)試中也會出現(xiàn)許多警告錯誤，可以在gcc中采用-w選項(xiàng)關(guān)閉警告錯誤。

下面給出程序移植需要遵循的規(guī)則以及經(jīng)驗(yàn)。

(1)盡量不要改變原有動態(tài)庫頭文件的順序。通常在C/C++語言中，頭文件的順序有相當(dāng)?shù)年P(guān)系。另外雖然C/C++語言區(qū)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?yàn)閑xt2文件系統(tǒng)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(tǒng)獨(dú)有的頭文件。在Windows系統(tǒng)中，通常會包括windows.h頭文件，如果調(diào)用底層的通信函數(shù)，則會包含winsock..h頭文件。因此在移植到Linux系統(tǒng)時，要注釋掉這些Windows系統(tǒng)獨(dú)有的頭文件以及一些windows系統(tǒng)的常量定義說明，增加Linux都底層通信的支持的頭文件等。

(3)數(shù)據(jù)類型。VC++具有許多獨(dú)有的數(shù)據(jù)類型，如__int16，__int32，TRUE，SOCKET等，gcc編譯器不支持它們。通常做法是需要將windows.h和basetypes.h中對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行定義的語句復(fù)制到一個頭文件中，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。

(4)關(guān)鍵字。VC++中具有許多標(biāo)準(zhǔn)C中所沒有采用的關(guān)鍵字，如BOOL，BYTE，DWORD，__asm等，通常在為了移植方便，盡量不使用它們，如果實(shí)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(shù)原型的修改。通常如果采用標(biāo)準(zhǔn)的C/C++語言編寫的動態(tài)庫，基本上不用再重新編寫函數(shù)，但對于系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)，由于兩種系統(tǒng)的區(qū)別，需要改變函數(shù)的調(diào)用方式等，如在Linux編制的網(wǎng)絡(luò)通信動態(tài)庫中，用close()函數(shù)代替windows操作系統(tǒng)下的closesocket()函數(shù)來關(guān)閉套接字。另外在Linux下沒有文件句柄，要打開文件可用open和fopen函數(shù)，具體這兩個函數(shù)的用法可參考文獻(xiàn)[2]。

(6)makefile的編寫。在windows下面通常由VC++編譯器來負(fù)責(zé)調(diào)試，但gcc需要自己動手編寫makefile文件，也可以參照VC++生成的makefile文件。對于動態(tài)庫移植，編譯動態(tài)庫時需要加入-shared選項(xiàng)。對于采用數(shù)學(xué)函數(shù)，如冪級數(shù)的程序，在調(diào)用動態(tài)庫是，需要加入-lm。

(7)其它一些需要注意的地方

①程序設(shè)計結(jié)構(gòu)分析，對于移植它人編寫的動態(tài)庫程序，程序結(jié)構(gòu)分析是必不可少的步驟，通常在動態(tài)庫程序中，不會包含界面等操作，所以相對容易一些。

②在Linux中，對文件或目錄的權(quán)限分為擁有者、群組、其它。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(jìn)行寫操作，要注意修改文件或目錄的權(quán)限，否則無法對文件進(jìn)行寫。

③指針的使用，定義一個指針只給它分配四個字節(jié)的內(nèi)存，如果要對指針?biāo)赶虻淖兞抠x值，必須用malloc函數(shù)為它分配內(nèi)存或不把它定義為指針而定義為變量即可，這點(diǎn)在linux下面比windows編譯嚴(yán)格。同樣結(jié)構(gòu)不能在函數(shù)中傳值，如果要在函數(shù)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)傳值，必須把函數(shù)中的結(jié)構(gòu)定義為結(jié)構(gòu)指針。

④路徑標(biāo)識符，在Linux下是“/”，在Windows下是“\”，注意windows和Linux的對動態(tài)庫搜索路徑的不同。

⑤編程和調(diào)試技巧方面。對不同的調(diào)試環(huán)境有不同的調(diào)試技巧，在這里不多敘述。

5、結(jié)束語

本文系統(tǒng)分析了windows和Linux動態(tài)庫實(shí)現(xiàn)和使用方式，從程序編寫、編譯、調(diào)用以及對操作系統(tǒng)依賴等方面綜合分析比較了這兩種調(diào)用方式的不同之處，根據(jù)實(shí)際程序移植經(jīng)驗(yàn)，給出了將VC++編制的Windows動態(tài)庫移植到Linux下的方法以及需要注意的問題，同時并給出了程序示例片斷，實(shí)際在程序移植過程中，由于系統(tǒng)的設(shè)計等方面，可能移植起來需要注意的方面遠(yuǎn)比上面復(fù)雜，本文通過總結(jié)歸納進(jìn)而為不同操作系統(tǒng)程序移植提供了有意的經(jīng)驗(yàn)和技巧。
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