Linux C++中如何实现动态链接库

在Linux环境下使用C++实现动态链接库（Dynamic Link Library，DLL）通常指的是创建共享对象（Shared Object，.so文件）。动态链接库允许你在程序运行时加载和使用库中的函数，而不是在编译时静态链接。这在多个程序需要共享相同代码时非常有用，可以节省内存并方便更新。

下面将详细介绍如何在Linux中使用C++创建和使用动态链接库，包括编写代码、编译生成共享库以及在其他程序中使用该库。

1. 创建动态链接库

步骤一：编写头文件

首先，定义你希望在共享库中导出的函数和类。例如，创建一个名为 mylib.h 的头文件：

// mylib.h
#ifndef MYLIB_H
#define MYLIB_H

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

// 导出函数
void hello_from_lib();

// 导出类
class MyClass {
public:
    MyClass();
    void greet();
};

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif // MYLIB_H

说明：

• 使用 extern "C" 可以防止C++的名称改编（name mangling），使得库中的函数在C语言中也能被正确调用。
• 如果不需要导出类，可以只定义函数。

步骤二：实现库的源文件

创建一个实现头文件中声明的源文件，例如 mylib.cpp：

// mylib.cpp
#include "mylib.h"
#include <iostream>

// 实现导出函数
void hello_from_lib() {
    std::cout << "Hello from the library!" << std::endl;
}

// 实现导出类
MyClass::MyClass() {
    // 构造函数实现
}

void MyClass::greet() {
    std::cout << "Greetings from MyClass!" << std::endl;
}

步骤三：编译生成共享库

使用 g++ 编译源文件，生成共享库（.so 文件）。例如，生成名为 libmylib.so 的共享库：

g++ -fPIC -c mylib.cpp -o mylib.o
g++ -shared -o libmylib.so mylib.o

参数说明：

• -fPIC（Position Independent Code）：生成位置无关代码，这是创建共享库所必需的。
• -c：只编译不链接，生成目标文件（.o）。
• -shared：生成共享库。

步骤四（可选）：创建静态库作为中间步骤

有时，可以先创建一个静态库，再从中生成共享库：

ar rcs libmylib.a mylib.o
g++ -fPIC -shared -o libmylib.so -Wl,--whole-archive libmylib.a -Wl,--no-whole-archive

2. 使用动态链接库

假设你已经生成了 libmylib.so，下面是如何在其他C++程序中使用该库。

步骤一：编写使用库的程序

创建一个主程序文件，例如 main.cpp：

// main.cpp
#include <iostream>
#include "mylib.h"

int main() {
    // 调用库中的函数
    hello_from_lib();

    // 使用库中的类
    MyClass obj;
    obj.greet();

    return 0;
}

步骤二：编译主程序并链接共享库

在编译时，需要指定共享库的位置。可以使用 -L 指定库路径，使用 -l 指定库名（去掉 lib 前缀和 .so 后缀）。

假设 libmylib.so 位于当前目录：

g++ -o myapp main.cpp -L. -lmylib

步骤三：设置运行时库路径

为了让程序在运行时找到 libmylib.so，需要设置 LD_LIBRARY_PATH 环境变量：

export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH

或者，可以将共享库复制到系统的标准库路径，如 /usr/lib 或 /usr/local/lib。

步骤四：运行程序

./myapp

输出应为：

Hello from the library!
Greetings from MyClass!

3. 注意事项

1. 名称改编（Name Mangling）：

   • 使用 extern "C" 可以避免C++的名称改编，确保函数名在共享库中保持不变。
   • 如果不使用 extern "C"，函数名会被改编，导致链接时找不到对应的符号。

2. 编译选项：

   • 确保在编译共享库和主程序时使用相同的C++标准，以避免兼容性问题。
   • 使用 -fPIC 生成位置无关代码是创建共享库的关键。

3. 库路径和运行时搜索路径：

   • 在编译时使用 -L 指定库路径。
   • 在运行时设置 LD_LIBRARY_PATH 或将共享库复制到标准库路径，以确保程序能够找到共享库。

4. 版本管理：

   • 为共享库使用版本号，可以避免不同版本之间的冲突。例如，在文件名中加入版本号：libmylib.so.1。
   • 使用 soname 来管理共享库的版本。

5. 符号导出：

   • 如果需要导出更多的符号，可以使用 __attribute__((visibility("default"))) 来显式控制符号的可见性。

   • 例如：

     // 在头文件中
     #ifdef __cplusplus
     extern "C" {
     #endif
     
     __attribute__((visibility("default"))) void hello_from_lib();
     
     #ifdef __cplusplus
     }
     #endif
     

6. 使用 nm 工具查看符号：

   • 可以使用 nm 工具查看共享库中导出的符号：

     nm -D libmylib.so
     

7. 清理编译生成的文件：

   • 在重新编译共享库时，确保删除旧的目标文件和共享库，以避免版本冲突。

4. 示例总结

目录结构

project/
├── include/
│   └── mylib.h
├── src/
│   └── mylib.cpp
├── main.cpp
└── Makefile

Makefile 示例

为了简化编译过程，可以编写一个 Makefile：

# 编译器
CXX = g++

# 编译选项
CXXFLAGS = -Wall -fPIC

# 链接选项
LDFLAGS = -shared

# 源文件
SRCS = src/mylib.cpp
MAIN_SRC = main.cpp

# 目标文件
OBJECTS = $(SRCS:.cpp=.o)
MAIN_OBJECT = $(MAIN_SRC:.cpp=.o)

# 共享库名称
LIB_NAME = libmylib.so

# 可执行文件名称
EXEC_NAME = myapp

all: $(LIB_NAME) $(EXEC_NAME)

$(LIB_NAME): $(OBJECTS)
	$(CXX) $(LDFLAGS) -o $@ $^

$(EXEC_NAME): $(MAIN_OBJECT) $(LIB_NAME)
	$(CXX) -o $@ $^ -L. -lmylib

%.o: %.cpp
	$(CXX) $(CXXFLAGS) -Iinclude -c $< -o $@

clean:
	rm -f $(OBJECTS) $(MAIN_OBJECT) $(LIB_NAME) $(EXEC_NAME)

使用说明

1. 将上述文件按照目录结构放置。
2. 在项目根目录下运行 make 命令进行编译。
3. 运行生成的可执行文件 ./myapp。

5. 参考资料

• C++ Shared Libraries
• Linux Dynamic Linking and Loading Library
• GNU C++ Compiler Documentation

通过以上步骤，你可以在Linux环境下使用C++成功创建和使用动态链接库。如果有进一步的问题，欢迎继续提问！