穿越文件之海：Linux链接与库的奇幻旅程，软硬连接与动静态库

article/2025/6/7 12:15:57

文章目录

  • 引言
  • 1、软硬链接
    • 1.1、基本认知
    • 1.2、实现原理
    • 1.3、应用场景
    • 1.4、取消链接
    • 1.5、ACM时间
  • 2、动静态库
    • 2.1、认识库
    • 2.2、库的作用
  • 3、制作静态库
    • 3.2、静态库的使用
  • 4、制作动态库
    • 4.1、动态库的打包
    • 4.3、动态库的链接原理
  • 5、动态库知识补充

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引言

在计算机的无形世界中，数据如河流般流淌，而文件系统则是河道的设计者。Linux，这位古老而睿智的守护者，为我们铺设了一条通往数字王国深处的道路。

今天，让我们踏上一段奇妙的旅程，探索Linux基础I/O中那些看似平凡却蕴含无限智慧的链接与库。

1、软硬链接

1.1、基本认知

对文件进行软硬链接非常简单，只需要通过ln -s或ln对文件进行链接即可，生成的链接文件类型为 l（普通文件为 -，目录文件为 d）

对文件test.cc进行软链接，生成软链接文件 my-sort，其中软链接文件名可以自定义

ln -s test.cc my-soft.cc

需要注意在后续对软链接编译生成可执行程序时，如果my-soft.cc没有文件后缀，会存在无法识别问题
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生成硬链接文件就更简单了，对文件 test.cc 进行硬连接，生成硬连接文件 my-hard，其中硬链接文件名也可以自定义

ln tets.cc my-hard

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生成的软硬链接文件如何使用呢？

  • 像源文件一样使用即可，结果一模一样（因为当前软硬链接的都是同一个源文件）
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    虽然此时的软硬链接执行结果一致，但这两种链接方式在本质上有很大区别
  • 软链接文件的inode编号与源文件不同（独立存在），软连接文件比源文件小得多，并且 软连接文件->源文件
  • 硬链接文件与源文件共用一个 inode 编号（对源文件其别名），硬链接文件与源文件一样大，并且硬链接文件与源文件的链接数变成了 2
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    软链接文件依赖于源文件，而硬链接文件是源文件的别名

当我们将源文件删除后，软连接失效；硬链接仍然有效，不过硬链接数变为了 1

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1.2、实现原理

软链接又称为符号链接，它是一个单独存在的文件，拥有属于自己的inode属性及相应的文件内容，不过在软连接的Data block中存放的是源文件的地址，因此软连接很小，并且非常依赖于源文件

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  • 因此如果源文件被删除了，那么在执行软连接文件时，其中的地址就是一个无效地址（目标文件已丢失），此时就会报错 No such file or directory

  • 假设只是单纯的删除软连接文件，那么对源文件的内容没有丝毫影响，就好比 Windows 桌面上的快捷方式，有的人以为将快捷方式（软链接）文件删除了，就是在 “卸载” 软件，其实不是，如果想卸载软件，直接将其源文件相关文件夹全部删除即可

  • 硬链接并非创建一个相同的文件进行链接，而是在源文件所目录下的 【inode编号 与文件名对应表中】，新增 【inode 编号与硬链接文件名】的映射关系，并将 inode 结构体中的引用计数 +1，表示当前已成功硬链接上了一个文件

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  • 当删除当前inode对应文件时，会 先判断 ref_count 是否为 1，如果是，才会将文件内容及其属性真正删除，-
  • 否则删除的只是 文件名 与 inode 编号的映射关系

这也就解释了为什么删除源文件后，硬链接文件不受任何影响，仅仅只是 硬链接数 - 1，同理，删除硬链接文件，也不会影响源文件

为什么新建目录的硬链接数为 2？

  • 因为一个目录在新建后，其中默认存在两个隐藏文件：. 与 ..
  • 其中.表示当前目录，.. 表示上级目录
    Linux 中的目录结构为多叉树，即当前节点（目录）需要与父节点（上级目录）、子节点（下级目录）建立链接关系，并且还得知道当目录的地址，否则就会导致切换目录时出现错误

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为了避免因用户的误操作而导致的目录环状问题，规定用户不能手动给目录建立硬链接关系，只能由 OS 自动建立硬链接

比如创建新目录后，默认与上级目录和当前目录建立硬链接文件，在当目录下创建新目录后，当前目录的硬链接数 + 1

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小技巧：将目录的硬链接数 - 2，就可以知道该目录中有多少个目录了

ls -d	//只查看目录文件

1.3、应用场景

软链接可以当作快捷方式使用，比如快速运行一个藏的很深的可执行程序

硬链接

  • 可以用来当作目录移动的工具
  • 可以用来给重要的源文件起别名并使用，一旦发生删除等不可逆行为时，可以确保源文件的安全

注意： 硬链接并不是将源文件直接进行备份，而是新建立 inode 编号与硬链接文件名的映射关系，同时 struct inode 中的引用计数 ref_count++，只有当 ref_count == 1 时才会真正删除文件内容及属性，否则都只是在取消映射关系和 ref_count--

1.4、取消链接

取消链接的方式有两种：

  • 直接删除链接文件
  • 通过 unlink 取消链接关系

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1.5、ACM时间

每一个文件都有三个时间：

  • 访问 Access
  • 修改属性 Change
  • 修改内容 Modify

简称为 ACM 时间

可以通过stat查看指定文件的 ACM 时间信息

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2、动静态库

接下来学习动静态库的相关内容，了解程序运行时是如何调用资源的

2.1、认识库

常见的库文件：stdio.h、stdlib.h、string.h 等

库分为 动态库 和 静态库

  • Linux 中，.a 后缀为静态库，.so 后缀为动态库
  • Windows 中，.lib 后缀为静态库，.dll 后缀为动态库

虽然不同环境下的后缀有所不同，但其工作原理是一致的

库命名

  • 比如 libstdc++.so.6
  • 去掉前缀跟后缀,最终库名为 stdc++

查看当前环境中的库文件

ls /usr/lib/x86 64-linux-gnu/libc*

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  • 无论是 C语言 还是 C++，在编写程序时，一定离不开库文件，比如之前模拟实现的 FILE 类型，就位于 stdio.h 这个库中。
  • 动态库优势比静态库明显，因此在编译代码时，默认采用动态链接的方式，如果想指定为静态链接编译，只需要在 gcc/g++ 语句后面加上 -static 即可（前提是得有静态库）
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    观察可得，静态库编译得到的程序大小远大于动态库。

关于动静态库的优缺点可以看看下面这个表格：
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注意： 静态库是将所需要的函数代码拷贝到源文件中直接使用，而动态库是通过动态链接的方式，进行函数链接使用

2.2、库的作用

所以，库文件到底有什么用？

  • 提高开发效率

系统已经预装了 C/C++ 的头文件和库文件，头文件提供说明，库文件提供方法的实现

  • 头和库是有对应关系的，需要组合使用
  • 头文件在预处理阶段就已经引入了，链接的本质就是在链接库

简言之，如果没有库文件，那么你在开发时，需要自己手动将 printf 等高频函数编写出来，因此库文件可以提高我们的开发效率，比如 Python 中就有很多现成的库函数可以使用，效率很高

语法提示是如何做到的？

  1. 安装开发环境
  • 实际上是在安装编译器、开发语言配套的库和头文件

  1. 编译器的 语法提示功能来源于头文件（语法提示其实就是搜索）

  2. 我们在写代码时，开发环境是怎么知道语法错误或其他错误的？

  • 编译器有命令行模式，还有其他自动化模式，编写代码时，不断进行主动编译，排查错误

3、制作静态库

现在有一些简单的计算 demo 函数，能满足整型的 ± 计算，将这些代码作为库进行打包
myadd.h

#pragma once//声明功能
int add(int x, int y);

myadd.c

#include "myadd.h"//定义功能
int add(int x, int y)
{return x + y;
}

mysub.h

#pragma once//声明功能
int sub(int x, int y);

mysub.c

#include "mysub.h"//定义功能
int sub(int x, int y)
{return x - y;
}

主函数中将对这些自定义的库函数进行调用
test.c

#include <stdio.h>
#include "myadd.h"
#include "mysub.h"int main()
{printf("2 + 3 = %d\n", add(2, 3));printf("18 - 6 = %d\n", sub(18, 6));return 0;
}

3.1、静态库的打包
静态库的打包主要分为以下两步：

  • 将源文件进行 预处理->编译->汇编，生成可链接的二进制 .o 文件
  • 通过指令将 .o 文件打包为静态库

将文件编译为 .o 二进制文件

gcc -c myadd.c mysub.c

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将所有的.o文件打包为一个静态库（库名自定义）
其中的mycalc为库名

ar -rc libmycalc.a *.o

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  • ar 是 GNU 提供的归档工具，常用来将目标文件打包为静态库
  • 我们还可以使用 ar 反向查看静态库中的具体文件
    ar -tv 静态库文件

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获得静态库后，就可以进行使用了

注：此时的 .h、.c、.o 文件位于 lesson20 文件夹中，而静态库文件 .a 位于mylib文件夹中

3.2、静态库的使用

方法一：通过指定路径使用静态库

如果直接编译程序，会出现编译失败的情况，因为编译器不认识第三方库（需要提供第三方库的路径及库名）

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第一方库：语言提供
第二方库：操作系统提供
第三方库：other 提供的库，比如当前我们直接打包的静态库

对于自己写的的第三库的使用，需要标注三个参数：

-I 所需头文件的路径 需要将所需头文件的路径加上，因为此时路径已经为所需路径，因此此处为 ./
-L 所需库文件的路径 这里加的是库文件的路径，也为 ./
-l 待链接静态库名 所需要链接的静态库名字，这里为 mycalc

 gcc -o ret test.c  -I./ -L./ -lmycalc

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为什么编译 C/C++ 代码时，不需要指定路径？

  • 因为这些库都是系统级的，gcc/g++ 默认找的就是 stdc/stdc++ 库

方法二：将头文件和静态库文件安装至系统目录中

除了这种比较麻烦的指定路径编译外，我们还可以将头文件与静态库文件直接安装在系统目录中，直接使用，无需指定路径（需要指定静态库名）

所谓的安装软件，就是将自己的文件安装到系统目录下

sudo cp ./*.h /usr/include/
sudo cp libmycalc.a /usr/lib/x86_64-linux-gnu

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注意： 将自己写的文件安装到系统目录下是一件危险的事（导致系统环境被污染），用完后记得手动删除

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4、制作动态库

除了可以制作静态库外，我们还可以制作动态库，这里用的例子和上面一样

4.1、动态库的打包

动态库不同于静态库，动态库中的函数代码不需要加载到源文件中，而是通过 与位置无关码 ，对指定函数进行链接使用

动态库的打包也同样分为两步：

  • 编译源文件，生成二进制可链接文件，此时需要加上 -fPIC 与位置无关码
  • 通过 gcc/g++ 直接目标程序（此时不需要使用 ar 归档工具）

将源文件编译为.o二进制文件，此时需要带上 fPIC 与位置无关码

gcc -c -fPIC *.c

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将所有的 .o 文件打包为动态库（借助 gcc/g++）

gcc -o libmycalc.so *.o -shared

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获得动态库后，就可以进行使用了

注：此时的 .h、.c、.o 文件位于 myinclude 文件夹中，而动态库文件 .so 位于 libmycalc.so 文件夹中

4.2、动态库的链接与使用
像使用静态库一样使用动态库（指定路径及库名），编译成功，但运行失败！

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为什么会出现这种问题？因为当前只告诉了编译器动态库的位置，没有告诉 OS

通过ldd查看程序链接情况：
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当前尚未链接

运行时，OS ·是如何链接·动态库？

  1. 环境变量·LD_LIBRARY_PATH （默认没有这个环境变量），将第三方动态库路径添加至此环境变量中（临时方案）
  2. sudo 在 /lib64/ 目录下建立动态库的软链接
  3. 更改配置文件/etc/ld.so.conf.d这个目录中都是各种动态库配置文件，创建文件 xx.conf 至目录中（文件中存储的是第三方动态库的路径）ldconfig 令配置文件生效

以上三种方式都可以正常使用动态库，下面就来逐个进行尝试

方法一：通过环境变量解决

添加动态库路径至 LD_LIBRARY_PATH 环境变量中

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环境变量 LD_LIBRARY_PATH 是程序在进行动态库查找时的默认搜索路径

注意： 更改环境变量只是临时方案，重新登录后会失效

方法二：将动态库的软链接文件存入系统目录中

 sudo ln -s /home/ccc/lesson20/myinclude/libmycalc.so /lib64/

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注意： 创建软连接文件时，需要使用绝对路径！

方法三：更改配置文件中的信息

echo /home/ccc/lesson20/myinclude/libmycalc.so > ccc.conf
sudo mv ccc.conf /etc/ld.so.conf.d/
ls /etc/ld.so.conf.d/ccc.conf

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注意： 后两种方法都可以做到永久生效（因为存入了系统目录中），但在使用完后最好删除，避免污染系统环境

4.3、动态库的链接原理

程序在链接动态库函数时，是通过 动态库起始地址 + 所链接函数偏移量 的方式进行链接访问的，而这个偏移量就是 fPIC 与位置无关码

地址其实就两种：绝对地址和相对地址.

  • 静态链接时，将可链接的二进制文件加载至程序中，直接通过 绝对地址 进行链接，假设函数被调用了多次，就会导致代码冗余等问题；
  • 动态链接采用 相对地址 的方式进行链接，同一个函数的 动态库起始地址 + 所链接函数偏移量 值相同，代码只需要加载一份，并且可以任意位置进行函数调用（与位置无关）

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动态库中所有地址都是偏移量，默认从 0 开始

只有当一个库被真正映射进地址空间后，它的起始地址才能真正确定

  • 链接库中的函数时，通过 动态库的起始地址 + 函数偏移量 的方式链接函数
  • 这种方法不论在什么位置，都可以随便链接函数（与位置无关）
  • 与位置无关码：动态库中地址，是偏移量

5、动态库知识补充

  • 当同时拥有 静态库 和 动态库 时，默认采用动态链接

  • 如果只有静态库，但又不指定静态链接，会发生静态库文件

  • 静态链接生成的程序比动态链接大得多，并且内含静态库的动态链接程序，也比纯粹的动态链接程序大，说明程序不是·非静即动，可以同时使用动态库与静态库

本篇关于软硬链接与动静态库的介绍就暂告段落啦，希望能对大家的学习产生帮助，欢迎各位佬前来支持斧正！！！

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http://www.hkcw.cn/article/VHmkSFilks.shtml

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