分析Windows和Linux動(dòng)態(tài)庫(kù)
1、引言
動(dòng)態(tài)庫(kù)（Dynamic Link Library abbr，DLL）技術(shù)是程序設(shè)計(jì)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(dòng)態(tài)庫(kù)技術(shù)對(duì)于升級(jí)軟件版本更加容易。與靜態(tài)庫(kù)（Static Link Library）不同，動(dòng)態(tài)庫(kù)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(shí)在多個(gè)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(jì)，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(dòng)態(tài)庫(kù)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(dòng)態(tài)庫(kù)移植到Linux下的方法。
2、動(dòng)態(tài)庫(kù)技術(shù)
2.1 Windows動(dòng)態(tài)庫(kù)技術(shù)
動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(gè)重要技術(shù)手段。常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)庫(kù)包含外部函數(shù)和資源，也有一些動(dòng)態(tài)庫(kù)只包含資源，如Windows字體資源文件，稱(chēng)之為資源動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。通常動(dòng)態(tài)庫(kù)以.dll，.drv、.fon等作為后綴。相應(yīng)的windows靜態(tài)庫(kù)通常以.lib結(jié)尾，Windows自己就將一些主要的系統(tǒng)功能以動(dòng)態(tài)庫(kù)模塊的形式實(shí)現(xiàn)。
Windows動(dòng)態(tài)庫(kù)在運(yùn)行時(shí)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(xiàn)程所訪(fǎng)問(wèn)。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(méi)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(gè)DLL在內(nèi)存中只有一個(gè)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(yǔ)言及編譯器無(wú)關(guān)，可以通過(guò)DLL來(lái)實(shí)現(xiàn)混合語(yǔ)言編程。DLL函數(shù)中的代碼所創(chuàng)建的任何對(duì)象（包括變量）都?xì)w調(diào)用它的線(xiàn)程或進(jìn)程所有。
根據(jù)調(diào)用方式的不同，對(duì)動(dòng)態(tài)庫(kù)的調(diào)用可分為靜態(tài)調(diào)用方式和動(dòng)態(tài)調(diào)用方式。
(1)靜態(tài)調(diào)用，也稱(chēng)為隱式調(diào)用，由編譯系統(tǒng)完成對(duì)DLL的加載和應(yīng)用程序結(jié)束時(shí)DLL卸載的編碼（Windows系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)DLL調(diào)用次數(shù)的計(jì)數(shù)），調(diào)用方式簡(jiǎn)單，能夠滿(mǎn)足通常的要求。通常采用的調(diào)用方式是把產(chǎn)生動(dòng)態(tài)連接庫(kù)時(shí)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(shí)，只須在源文件中聲明一下。 LIB文件包含了每一個(gè)DLL導(dǎo)出函數(shù)的符號(hào)名和可選擇的標(biāo)識(shí)號(hào)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(huì)在應(yīng)用程序加載時(shí)同時(shí)加載在到內(nèi)存中。
(2)動(dòng)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(lái)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(shí)的重要方式。在Windows系統(tǒng)中，與動(dòng)態(tài)庫(kù)調(diào)用有關(guān)的函數(shù)包括：
①LoadLibrary（或MFC 的AfxLoadLibrary），裝載動(dòng)態(tài)庫(kù)。②GetProcAddress，獲取要引入的函數(shù)，將符號(hào)名或標(biāo)識(shí)號(hào)轉(zhuǎn)換為DLL內(nèi)部地址。③FreeLibrary（或MFC的AfxFreeLibrary），釋放動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。
在windows中創(chuàng)建動(dòng)態(tài)庫(kù)也非常方便和簡(jiǎn)單。在Visual C++中，可以創(chuàng)建不用MFC而直接用C語(yǔ)言寫(xiě)的DLL程序，也可以創(chuàng)建基于MFC類(lèi)庫(kù)的DLL程序。每一個(gè)DLL必須有一個(gè)入口點(diǎn)，在VC++中，DllMain是一個(gè)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(dòng)態(tài)庫(kù)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(dòng)態(tài)庫(kù)導(dǎo)出的函數(shù)供其它程序模塊調(diào)用。通常可以有下面幾種方法導(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(hào)_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(dòng)態(tài)庫(kù)中，有時(shí)需要編寫(xiě)模塊定義文件(.DEF)，它是用于描述DLL屬性的模塊語(yǔ)句組成的文本文件。
2.2 Linux共享對(duì)象技術(shù)
在Linux操作系統(tǒng)中，采用了很多共享對(duì)象技術(shù)（Shared Object），雖然它和Windows里的動(dòng)態(tài)庫(kù)相對(duì)應(yīng)，但它并不稱(chēng)為動(dòng)態(tài)庫(kù)。相應(yīng)的共享對(duì)象文件以.so作為后綴，為了方便，在本文中，對(duì)該概念不進(jìn)行專(zhuān)門(mén)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(duì)象。同樣，在Linux下，也有靜態(tài)函數(shù)庫(kù)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(duì)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(guò)LD-PRELOAD變量讓開(kāi)發(fā)人員可以使用自己的程序庫(kù)中的模塊來(lái)替換系統(tǒng)模塊。
同Windows系統(tǒng)一樣，在Linux中創(chuàng)建和使用動(dòng)態(tài)庫(kù)是比較容易的事情，在編譯函數(shù)庫(kù)源程序時(shí)加上-shared選項(xiàng)即可，這樣所生成的執(zhí)行程序就是動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)。通常這樣的程序以so為后綴，在Linux動(dòng)態(tài)庫(kù)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，通常流程是編寫(xiě)用戶(hù)的接口文件，通常是.h文件，編寫(xiě)實(shí)際的函數(shù)文件，以.c或.cpp為后綴，再編寫(xiě)makefile文件。對(duì)于較小的動(dòng)態(tài)庫(kù)程序可以不用如此，但這樣設(shè)計(jì)使程序更加合理。
編譯生成動(dòng)態(tài)連接庫(kù)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(dòng)態(tài)庫(kù)文件拷貝到/lib目錄或者在/lib目錄里面建立符號(hào)連接，以便所有用戶(hù)使用。下面介紹Linux調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)經(jīng)常使用的函數(shù)，但在使用動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，源程序必須包含dlfcn.h頭文件，該文件定義調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的函數(shù)的原型。
(1)_打開(kāi)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：dlopen，函數(shù)原型void *dlopen (const char *filename, int flag); dlopen用于打開(kāi)指定名字(filename)的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)操作句柄(handle)與符號(hào)(symbol)，返回符號(hào)對(duì)應(yīng)的函數(shù)的執(zhí)行代碼地址。
(3)關(guān)閉動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)：dlclose，函數(shù)原型為: int dlclose (void *handle); dlclose用于關(guān)閉指定句柄的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，只有當(dāng)此動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的使用計(jì)數(shù)為0時(shí),才會(huì)真正被系統(tǒng)卸載。
(4)動(dòng)態(tài)庫(kù)錯(cuò)誤函數(shù)：dlerror，函數(shù)原型為: const char *dlerror(void); 當(dāng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)操作函數(shù)執(zhí)行失敗時(shí)，dlerror可以返回出錯(cuò)信息，返回值為NULL時(shí)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(dòng)態(tài)庫(kù)的使用程序里面根據(jù)動(dòng)態(tài)庫(kù)提供的函數(shù)接口聲明調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)里面的函數(shù)。在編寫(xiě)調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)的程序的makefile文件時(shí)，需要加入編譯選項(xiàng)-rdynamic和-ldl。
除了采用這種方式編寫(xiě)和調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)之外，Linux操作系統(tǒng)也提供了一種更為方便的動(dòng)態(tài)庫(kù)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(lèi)似。其動(dòng)態(tài)庫(kù)命名方式為“l(fā)ib*.so.*”。在這個(gè)命名方式中，第一個(gè)*表示動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的庫(kù)名，第二個(gè)*通常表示該動(dòng)態(tài)庫(kù)的版本號(hào)，也可以沒(méi)有版本號(hào)。在這種調(diào)用方式中，需要維護(hù)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的配置文件/etc/ld.so.conf來(lái)讓動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)為系統(tǒng)所使用，通常將動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)所在目錄名追加到動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)所在目錄。為了使動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)能為系統(tǒng)所共享，還需運(yùn)行動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的管理命令./sbin/ldconfig。在編譯所引用的動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)，可以在gcc采用 –l或-L選項(xiàng)或直接引用所需的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)方式進(jìn)行編譯。在Linux里面，可以采用ldd命令來(lái)檢查程序依賴(lài)共享庫(kù)。
3、兩種系統(tǒng)動(dòng)態(tài)庫(kù)比較分析
Windows和Linux采用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)技術(shù)目的是基本一致的，但由于操作系統(tǒng)的不同，他們?cè)谠S多方面還是不盡相同，下面從以下幾個(gè)方面進(jìn)行闡述。
(1)動(dòng)態(tài)庫(kù)程序編寫(xiě)，在Windows系統(tǒng)下的執(zhí)行文件格式是PE格式，動(dòng)態(tài)庫(kù)需要一個(gè)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(shí)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(xiě)比較方便。
(2)動(dòng)態(tài)庫(kù)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(xiě)makefile文件，但在linux下面，需要自己動(dòng)手去編寫(xiě)makefile文件，因此，必須掌握一定的makefile編寫(xiě)技巧，另外，通常Linux編譯規(guī)則相對(duì)嚴(yán)格。
(3)動(dòng)態(tài)庫(kù)調(diào)用方面，Windows和Linux對(duì)其下編制的動(dòng)態(tài)庫(kù)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(dòng)態(tài)庫(kù)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(lái)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(duì)象文件。
(5)對(duì)操作系統(tǒng)的依賴(lài)，這兩種動(dòng)態(tài)庫(kù)運(yùn)行依賴(lài)于各自的操作系統(tǒng)，不能跨平臺(tái)使用。因此，對(duì)于實(shí)現(xiàn)相同功能的動(dòng)態(tài)庫(kù)，必須為兩種不同的操作系統(tǒng)提供不同的動(dòng)態(tài)庫(kù)版本。
4、動(dòng)態(tài)庫(kù)移植方法
如果要編制在兩個(gè)系統(tǒng)中都能使用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，通常會(huì)先選擇在Windows的VC++提供的調(diào)試環(huán)境中完成初始的開(kāi)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(cè)試之后，再進(jìn)行動(dòng)態(tài)庫(kù)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(méi)有任何警告錯(cuò)誤的程序在gcc調(diào)試中也會(huì)出現(xiàn)許多警告錯(cuò)誤，可以在gcc中采用-w選項(xiàng)關(guān)閉警告錯(cuò)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?cè)袆?dòng)態(tài)庫(kù)頭文件的順序。通常在C/C++語(yǔ)言中，頭文件的順序有相當(dāng)?shù)年P(guān)系。另外雖然C/C++語(yǔ)言區(qū)分大小寫(xiě)，但在包含頭文件時(shí)，Linux必須與頭文件的大小寫(xiě)相同，因?yàn)閑xt2文件系統(tǒng)對(duì)文件名是大小寫(xiě)敏感，否則不能正確編譯，而在Windows下面，頭文件大小寫(xiě)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(huì)包括windows.h頭文件，如果調(diào)用底層的通信函數(shù)，則會(huì)包含winsock..h頭文件。因此在移植到Linux系統(tǒng)時(shí)，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(shuō)明，增加Linux都底層通信的支持的頭文件等。
(3)數(shù)據(jù)類(lèi)型。VC++具有許多獨(dú)有的數(shù)據(jù)類(lèi)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(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行定義的語(yǔ)句復(fù)制到一個(gè)頭文件中，再在Linux中包含這個(gè)頭文件。例如將套接字的類(lèi)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(méi)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(wú)法避免可以采用#ifdef 和#endif為L(zhǎng)INUX和WINDOWS編寫(xiě)兩個(gè)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(yǔ)言編寫(xiě)的動(dòng)態(tài)庫(kù)，基本上不用再重新編寫(xiě)函數(shù)，但對(duì)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(dòng)態(tài)庫(kù)中，用close()函數(shù)代替windows操作系統(tǒng)下的closesocket()函數(shù)來(lái)關(guān)閉套接字。另外在Linux下沒(méi)有文件句柄，要打開(kāi)文件可用open和fopen函數(shù)，具體這兩個(gè)函數(shù)的用法可參考文獻(xiàn)[2]。
(6)makefile的編寫(xiě)。在windows下面通常由VC++編譯器來(lái)負(fù)責(zé)調(diào)試，但gcc需要自己動(dòng)手編寫(xiě)makefile文件，也可以參照VC++生成的makefile文件。對(duì)于動(dòng)態(tài)庫(kù)移植，編譯動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)需要加入-shared選項(xiàng)。對(duì)于采用數(shù)學(xué)函數(shù)，如冪級(jí)數(shù)的程序，在調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)是，需要加入-lm。
(7)其它一些需要注意的地方
①程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)分析，對(duì)于移植它人編寫(xiě)的動(dòng)態(tài)庫(kù)程序，程序結(jié)構(gòu)分析是必不可少的步驟，通常在動(dòng)態(tài)庫(kù)程序中，不會(huì)包含界面等操作，所以相對(duì)容易一些。②在Linux中，對(duì)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(shí)，要注意對(duì)文件是讀還是寫(xiě)操作，如果是對(duì)文件進(jìn)行寫(xiě)操作，要注意修改文件或目錄的權(quán)限，否則無(wú)法對(duì)文件進(jìn)行寫(xiě)。③指針的使用，定義一個(gè)指針只給它分配四個(gè)字節(jié)的內(nèi)存，如果要對(duì)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(shí)符，在Linux下是“/”，在Windows下是“”，注意windows和Linux的對(duì)動(dòng)態(tài)庫(kù)搜索路徑的不同。⑤編程和調(diào)試技巧方面。對(duì)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(yǔ)
本文系統(tǒng)分析了windows和Linux動(dòng)態(tài)庫(kù)實(shí)現(xiàn)和使用方式，從程序編寫(xiě)、編譯、調(diào)用以及對(duì)操作系統(tǒng)依賴(lài)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(dòng)態(tài)庫(kù)移植到Linux下的方法以及需要注意的問(wèn)題，同時(shí)并給出了程序示例片斷，實(shí)際在程序移植過(guò)程中，由于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等方面，可能移植起來(lái)需要注意的方面遠(yuǎn)比上面復(fù)雜，本文通過(guò)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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