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用C語(yǔ)言理解Linux軟件庫(kù)

[[401128]]

軟件庫(kù)是重復(fù)使用代碼的一種簡(jiǎn)單而合理的方式。

軟件庫(kù)是一種是一直以來(lái)長(zhǎng)期存在的、簡(jiǎn)單合理的復(fù)用代碼的方式。這篇文章解釋了如何從頭開(kāi)始構(gòu)建庫(kù)并使得其可用。盡管這兩個(gè)示例庫(kù)都以 Linux 為例，但創(chuàng)建、發(fā)布和使用這些庫(kù)的步驟也可以應(yīng)用于其它類(lèi) Unix 系統(tǒng)。

這些示例庫(kù)使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)，非常適合該任務(wù)。Linux 內(nèi)核大部分由 C 語(yǔ)言和少量匯編語(yǔ)言編寫(xiě)（Windows 和 Linux 的表親如 macOS 也是如此）。用于輸入/輸出、網(wǎng)絡(luò)、字符串處理、數(shù)學(xué)、安全、數(shù)據(jù)編碼等的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)庫(kù)等主要由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)。所以使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)庫(kù)就是使用 Linux 的原生語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)。除此之外，C 語(yǔ)言的性能也在一眾高級(jí)語(yǔ)言中鶴立雞群。

還有兩個(gè)來(lái)訪問(wèn)這些庫(kù)的示例客戶(hù)程序client（一個(gè)使用 C，另一個(gè)使用 Python）。毫無(wú)疑問(wèn)可以使用 C 語(yǔ)言客戶(hù)程序來(lái)訪問(wèn) C 語(yǔ)言編寫(xiě)的庫(kù)，但是 Python 客戶(hù)程序示例說(shuō)明了一個(gè)由 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的庫(kù)也可以服務(wù)于其他編程語(yǔ)言。

靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)對(duì)比

Linux 系統(tǒng)存在兩種類(lèi)型庫(kù)：

  • 靜態(tài)庫(kù)（也被稱(chēng)為歸檔庫(kù)）：在編譯過(guò)程中的鏈接階段，靜態(tài)庫(kù)會(huì)被編譯進(jìn)程序（例如 C 或 Rust）中。每個(gè)客戶(hù)程序都有屬于自己的一份庫(kù)的拷貝。靜態(tài)庫(kù)有一個(gè)顯而易見(jiàn)的缺點(diǎn) —— 當(dāng)庫(kù)需要進(jìn)行一定改動(dòng)時(shí)（例如修復(fù)一個(gè) bug），靜態(tài)庫(kù)必須重新鏈接一次。接下來(lái)要介紹的動(dòng)態(tài)庫(kù)避免了這一缺點(diǎn)。
  • 動(dòng)態(tài)庫(kù)（也被稱(chēng)為共享庫(kù)）：動(dòng)態(tài)庫(kù)首先會(huì)在程序編譯中的鏈接階段被標(biāo)記，但是客戶(hù)程序和庫(kù)代碼在運(yùn)行之前仍然沒(méi)有聯(lián)系，且?guī)齑a不會(huì)進(jìn)入到客戶(hù)程序中。系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加載器會(huì)把一個(gè)共享庫(kù)和正在運(yùn)行的客戶(hù)程序進(jìn)行連接，無(wú)論該客戶(hù)程序是由靜態(tài)編譯語(yǔ)言（如 C）編寫(xiě)，還是由動(dòng)態(tài)解釋語(yǔ)言（如 Python）編寫(xiě)。因此，動(dòng)態(tài)庫(kù)不需要麻煩客戶(hù)程序便可以進(jìn)行更新。最后，多個(gè)客戶(hù)程序可以共享同一個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)的單一副本。

通常來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)庫(kù)優(yōu)于靜態(tài)庫(kù)，盡管其復(fù)雜性較高而性能較低。下面是兩種類(lèi)型的庫(kù)如何創(chuàng)建和發(fā)布：

  1. 庫(kù)的源代碼會(huì)被編譯成一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)模塊，目標(biāo)模塊是二進(jìn)制文件，可以被包含在庫(kù)中并且鏈接到可執(zhí)行的二進(jìn)制中。
  2. 目標(biāo)模塊會(huì)會(huì)被打包成一個(gè)文件。對(duì)于靜態(tài)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)的文件拓展名是 .a 意為“歸檔archive”；對(duì)于動(dòng)態(tài)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)的文件拓展名是 .so 意為“共享目標(biāo)shared object”。對(duì)于這兩個(gè)相同功能的示例庫(kù)，分別發(fā)布為 libprimes.a （靜態(tài)庫(kù)）和 libshprimes.so （動(dòng)態(tài)庫(kù)）。兩種庫(kù)的文件名都使用前綴 lib 進(jìn)行標(biāo)識(shí)。
  3. 庫(kù)文件被復(fù)制到標(biāo)準(zhǔn)目錄下，使得客戶(hù)程序可以輕松地訪問(wèn)到庫(kù)。無(wú)論是靜態(tài)庫(kù)還是動(dòng)態(tài)庫(kù)，典型的位置是 /usr/lib 或者 /usr/local/lib，當(dāng)然其他位置也是可以的。

構(gòu)建和發(fā)布每種庫(kù)的具體步驟會(huì)在下面詳細(xì)介紹。首先我將介紹兩種庫(kù)里涉及到的 C 函數(shù)。

示例庫(kù)函數(shù)

這兩個(gè)示例庫(kù)都是由五個(gè)相同的 C 函數(shù)構(gòu)建而成的，其中四個(gè)函數(shù)可供客戶(hù)程序使用。第五個(gè)函數(shù)是其他四個(gè)函數(shù)的一個(gè)工具函數(shù)，它顯示了 C 語(yǔ)言怎么隱藏信息。每個(gè)函數(shù)的源代碼都很短，可以將這些函數(shù)放在單個(gè)源文件中，盡管也可以放在多個(gè)源文件中（如四個(gè)公布的函數(shù)都有一個(gè)文件）。

這些庫(kù)函數(shù)是基本的處理函數(shù)，以多種方式來(lái)處理質(zhì)數(shù)。所有的函數(shù)接收無(wú)符號(hào)（即非負(fù)）整數(shù)值作為參數(shù)：

  • is_prime 函數(shù)測(cè)試其單個(gè)參數(shù)是否為質(zhì)數(shù)。
  • are_coprimes 函數(shù)檢查了其兩個(gè)參數(shù)的最大公約數(shù)greatest common divisor（gcd）是否為 1，即是否為互質(zhì)數(shù)。
  • prime_factors：函數(shù)列出其參數(shù)的質(zhì)因數(shù)。
  • glodbach：函數(shù)接收一個(gè)大于等于 4 的偶數(shù)，列出其可以分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)的和。它也許存在多個(gè)符合條件的數(shù)對(duì)。該函數(shù)是以 18 世紀(jì)數(shù)學(xué)家 克里斯蒂安·哥德巴赫Christian Goldbach 命名的，他的猜想是任意一個(gè)大于 2 的偶數(shù)可以分解為兩個(gè)質(zhì)數(shù)之和，這依舊是數(shù)論里最古老的未被解決的問(wèn)題。

工具函數(shù) gcd 留在已部署的庫(kù)文件中，但是在沒(méi)有包含這個(gè)函數(shù)的文件無(wú)法訪問(wèn)此函數(shù)。因此，一個(gè)使用庫(kù)的客戶(hù)程序無(wú)法調(diào)用 gcd 函數(shù)。仔細(xì)觀察 C 函數(shù)可以明白這一點(diǎn)。

更多關(guān)于 C 函數(shù)的內(nèi)容

每個(gè)在 C 語(yǔ)言中的函數(shù)都有一個(gè)存儲(chǔ)類(lèi)，它決定了函數(shù)的范圍。對(duì)于函數(shù)，有兩種選擇。

  • 函數(shù)默認(rèn)的存儲(chǔ)類(lèi)是 extern，它給了函數(shù)一個(gè)全局域。一個(gè)客戶(hù)程序可以調(diào)用在示例庫(kù)中用 extern 修飾的任意函數(shù)。下面是一個(gè)帶有顯式 extern 聲明的 are_coprimes 函數(shù)定義：

       
   
   
      
    
    
    
    1. extern unsigned are_coprimes(unsigned n1, unsigned n2) {
      2.     
    
    
    2.  ...
      3.     
    
    
    3. }
      4.

  • 存儲(chǔ)類(lèi) static 將一個(gè)函數(shù)的的范圍限制到函數(shù)被定義的文件中。在示例庫(kù)中，工具函數(shù) gcd 是靜態(tài)的（static）：

       
   
   
      
    
    
    
    1. static unsigned gcd(unsigned n1, unsigned n2) {
      2.     
    
    
    2.  ...
      3.     
    
    
    3. }
      4.

只有在 primes.c 文件中的函數(shù)可以調(diào)用 gcd，而只有 are_coprimes 函數(shù)會(huì)調(diào)用它。當(dāng)靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)被構(gòu)建和發(fā)布后，其他的程序可以調(diào)用外部的（extern）函數(shù)，如 are_coprimes ，但是不可以調(diào)用靜態(tài)（static）函數(shù) gcd。靜態(tài)（static）存儲(chǔ)類(lèi)通過(guò)將函數(shù)范圍限制在其他庫(kù)函數(shù)內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)的客戶(hù)程序隱藏 gcd 函數(shù)。

在 primes.c 文件中除了 gcd 函數(shù)外，其他函數(shù)并沒(méi)有指明存儲(chǔ)類(lèi)，默認(rèn)將會(huì)設(shè)置為外部的（extern）。然而，在庫(kù)中顯式注明 extern 更加常見(jiàn)。

C 語(yǔ)言區(qū)分了函數(shù)的定義definition和聲明declaration，這對(duì)庫(kù)來(lái)說(shuō)很重要。接下來(lái)讓我們開(kāi)始了解定義。C 語(yǔ)言?xún)H允許命名函數(shù)不允許匿名函數(shù)，并且每個(gè)函數(shù)需要定義以下內(nèi)容：

  • 一個(gè)唯一的名字。一個(gè)程序不允許存在兩個(gè)同名的函數(shù)。
  • 一個(gè)可以為空的參數(shù)列表。參數(shù)需要指明類(lèi)型。
  • 一個(gè)返回值類(lèi)型（例如：int 代表 32 位有符號(hào)整數(shù)），當(dāng)沒(méi)有返回值時(shí)設(shè)置為空類(lèi)型（void）。
  • 用一對(duì)花括號(hào)包圍起來(lái)的函數(shù)主體部分。在一個(gè)特制的示例中，函數(shù)主體部分可以為空。

程序中的每個(gè)函數(shù)必須要被定義一次。

下面是庫(kù)函數(shù) are_coprimes 的完整定義：

 
 
 
    
  
  
  
  1. extern unsigned are_coprimes(unsigned n1, unsigned n2) { /* 定義 */
    2.   
  
  
  2.  return 1 == gcd(n1, n2); /* 最大公約數(shù)是否為 1? */
    3.   
  
  
  3. }
    4.

函數(shù)返回一個(gè)布爾值（0 代表假，1 代表真），取決于兩個(gè)整數(shù)參數(shù)值的最大公約數(shù)是否為 1。工具函數(shù) gcd 計(jì)算兩個(gè)整數(shù)參數(shù) n1 和 n2 的最大公約數(shù)。

函數(shù)聲明不同于定義，其不需要主體部分：

 
 
 
    
  
  
  
  1. extern unsigned are_coprimes(unsigned n1, unsigned n2); /* 聲明 */
    2.

聲明在參數(shù)列表后用一個(gè)分號(hào)代表結(jié)束，它沒(méi)有被花括號(hào)包圍起來(lái)的主體部分。程序中的函數(shù)可以被多次聲明。

為什么需要聲明？在 C 語(yǔ)言中，一個(gè)被調(diào)用的函數(shù)必須對(duì)其調(diào)用者可見(jiàn)。有多種方式可以提供這樣的可見(jiàn)性，具體依賴(lài)于編譯器如何實(shí)現(xiàn)。一個(gè)必然可行的方式就是當(dāng)它們二者位于同一個(gè)文件中時(shí)，將被調(diào)用的函數(shù)定義在在它的調(diào)用者之前。

 
 
 
    
  
  
  
  1. void f() {...} /* f 定義在其被調(diào)用前 */
    2.   
  
  
  2. void g() { f(); } /* ok */
    3.

當(dāng)函數(shù) f 被在調(diào)用前聲明，此時(shí)函數(shù) f 的定義可以移動(dòng)到函數(shù) g 的下方。

 
 
 
    
  
  
  
  1. void f(); /* 聲明使得函數(shù) f 對(duì)調(diào)用者可見(jiàn) */
    2.   
  
  
  2. void g() { f(); } /* ok */
    3.   
  
  
  3. void f() {...} /* 相較于前一種方式，此方式顯得更簡(jiǎn)潔 */
    4.

但是當(dāng)如果一個(gè)被調(diào)用的函數(shù)和調(diào)用它的函數(shù)不在同一個(gè)文件中時(shí)呢？因?yàn)榍拔奶岬揭粋€(gè)函數(shù)在一個(gè)程序中需要被定義一次，那么如何使得讓一個(gè)文件中被定義的函數(shù)在另一個(gè)文件中可見(jiàn)？

這個(gè)問(wèn)題會(huì)影響庫(kù)，無(wú)論是靜態(tài)庫(kù)還是動(dòng)態(tài)庫(kù)。例如在這兩個(gè)質(zhì)數(shù)庫(kù)中函數(shù)被定義在源文件 primes.c 中，每個(gè)庫(kù)中都有該函數(shù)的二進(jìn)制副本，但是這些定義的函數(shù)必須要對(duì)使用庫(kù)的 C 程序可見(jiàn)，該 C 程序有其自身的源文件。

函數(shù)聲明可以幫助提供跨文件的可見(jiàn)性。對(duì)于上述的“質(zhì)數(shù)”例子，它有一個(gè)名為 primes.h 的頭文件，其聲明了四個(gè)函數(shù)使得它們對(duì)使用庫(kù)的 C 程序可見(jiàn)。

 
 
 
    
  
  
  
  1. /** 頭文件 primes.h：函數(shù)聲明 **/
    2.   
  
  
  2. extern unsigned is_prime(unsigned);
    3.   
  
  
  3. extern void prime_factors(unsigned);
    4.   
  
  
  4. extern unsigned are_coprimes(unsigned, unsigned);
    5.   
  
  
  5. extern void goldbach(unsigned);
    6.

這些聲明通過(guò)為每個(gè)函數(shù)指定其調(diào)用語(yǔ)法來(lái)作為接口。

為了客戶(hù)程序的便利性，頭文件 primes.h 應(yīng)該存儲(chǔ)在 C 編譯器查找路徑下的目錄中。典型的位置有 /usr/include 和 /usr/local/include。一個(gè) C 語(yǔ)言客戶(hù)程序應(yīng)使用 #include 包含這個(gè)頭文件，并盡可能將這條語(yǔ)句其程序源代碼的首部（頭文件將會(huì)被導(dǎo)入另一個(gè)源文件的“頭”部）。C 語(yǔ)言頭文件可以被導(dǎo)入其他語(yǔ)言（如 Rust 語(yǔ)言）中的 bindgen，使其它語(yǔ)言的客戶(hù)程序可以訪問(wèn) C 語(yǔ)言的庫(kù)。

總之，一個(gè)庫(kù)函數(shù)只可以被定義一次，但可以在任何需要它的地方進(jìn)行聲明，任一使用 C 語(yǔ)言庫(kù)的程序都需要該聲明。頭文件可以包含函數(shù)聲明，但不能包含函數(shù)定義。如果頭文件包含了函數(shù)定義，那么該文件可能會(huì)在一個(gè) C 語(yǔ)言程序中被多次包含，從而破壞了一個(gè)函數(shù)在 C 語(yǔ)言程序中必須被精確定義一次的規(guī)則。

庫(kù)的源代碼

下面是兩個(gè)庫(kù)的源代碼。這部分代碼、頭文件、以及兩個(gè)示例客戶(hù)程序都可以在 我的網(wǎng)頁(yè) 上找到。

 
 
 
    
  
  
  
  1. #include 
    2.   
  
  
  2. #include 
    3.   
  
  
  3.  
    4.   
  
  
  4. extern unsigned is_prime(unsigned n) {
    5.   
  
  
  5.  if (n <= 3) return n > 1; /* 2 和 3 是質(zhì)數(shù) */
    6.   
  
  
  6.  if (0 == (n % 2) || 0 == (n % 3)) return 0; /* 2 和 3 的倍數(shù)不會(huì)是質(zhì)數(shù) */
    7.   
  
  
  7.  
    8.   
  
  
  8.  /* 檢查 n 是否是其他 < n 的值的倍數(shù) */
    9.   
  
  
  9.  unsigned i;
    10.   
  
  
  10.  for (i = 5; (i * i) <= n; i += 6)
    11.   
  
  
  11.  if (0 == (n % i) || 0 == (n % (i + 2))) return 0; /* 不是質(zhì)數(shù) */
    12.   
  
  
  12.  
    13.   
  
  
  13.  return 1; /* 一個(gè)不是 2 和 3 的質(zhì)數(shù) */
    14.   
  
  
  14. }
    15.   
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  16. extern void prime_factors(unsigned n) {
    17.   
  
  
  17.  /* 在數(shù)字 n 的質(zhì)因數(shù)分解中列出所有 2 */
    18.   
  
  
  18.  while (0 == (n % 2)) { 
    19.   
  
  
  19.  printf("%i ", 2);
    20.   
  
  
  20.  n /= 2;
    21.   
  
  
  21.  }
    22.   
  
  
  22.  
    23.   
  
  
  23.  /* 數(shù)字 2 已經(jīng)處理完成，下面處理奇數(shù) */
    24.   
  
  
  24.  unsigned i;
    25.   
  
  
  25.  for (i = 3; i <= sqrt(n); i += 2) {
    26.   
  
  
  26.  while (0 == (n % i)) {
    27.   
  
  
  27.  printf("%i ", i);
    28.   
  
  
  28.  n /= i;
    29.   
  
  
  29.  }
    30.   
  
  
  30.  }
    31.   
  
  
  31.  
    32.   
  
  
  32.  /* 還有其他質(zhì)因數(shù)？*/
    33.   
  
  
  33.  if (n > 2) printf("%i", n);
    34.   
  
  
  34. }
    35.   
  
  
  35.  
    36.   
  
  
  36. /* 工具函數(shù)：計(jì)算最大公約數(shù) */
    37.   
  
  
  37. static unsigned gcd(unsigned n1, unsigned n2) {
    38.   
  
  
  38.  while (n1 != 0) {
    39.   
  
  
  39.  unsigned n3 = n1;
    40.   
  
  
  40.  n1 = n2 % n1;
    41.   
  
  
  41.  n2 = n3;
    42.   
  
  
  42.  }
    43.   
  
  
  43.  return n2;
    44.   
  
  
  44. }
    45.   
  
  
  45.  
    46.   
  
  
  46. extern unsigned are_coprimes(unsigned n1, unsigned n2) {
    47.   
  
  
  47.  return 1 == gcd(n1, n2);
    48.   
  
  
  48. }
    49.   
  
  
  49.  
    50.   
  
  
  50. extern void goldbach(unsigned n) {
    51.   
  
  
  51.  /* 輸入錯(cuò)誤 */
    52.   
  
  
  52.  if ((n <= 2) || ((n & 0x01) > 0)) {
    53.   
  
  
  53.  printf("Number must be > 2 and even: %i is not.\n", n);
    54.   
  
  
  54.  return;
    55.   
  
  
  55.  }
    56.   
  
  
  56.  
    57.   
  
  
  57.  /* 兩個(gè)簡(jiǎn)單的例子：4 和 6 */
    58.   
  
  
  58.  if ((4 == n) || (6 == n)) {
    59.   
  
  
  59.  printf("%i = %i + %i\n", n, n / 2, n / 2);
    60.   
  
  
  60.  return;
    61.   
  
  
  61.  }
    62.   
  
  
  62.  
    63.   
  
  
  63.  /* 當(dāng) n > 8 時(shí)，存在多種可能性 */
    64.   
  
  
  64.  unsigned i;
    65.   
  
  
  65.  for (i = 3; i < (n / 2); i++) {
    66.   
  
  
  66.  if (is_prime(i) && is_prime(n - i)) {
    67.   
  
  
  67.  printf("%i = %i + %i\n", n, i, n - i);
    68.   
  
  
  68.  /* 如果只需要一對(duì)，那么用 break 語(yǔ)句替換這句 */
    69.   
  
  
  69.  }
    70.   
  
  
  70.  }
    71.   
  
  
  71. }
    72.

庫(kù)函數(shù)

這些函數(shù)可以被庫(kù)利用。兩個(gè)庫(kù)可以從相同的源代碼中獲得，同時(shí)頭文件 primes.h 是兩個(gè)庫(kù)的 C 語(yǔ)言接口。

構(gòu)建庫(kù)

靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)在構(gòu)建和發(fā)布的步驟上有一些細(xì)節(jié)的不同。靜態(tài)庫(kù)需要三個(gè)步驟，而動(dòng)態(tài)庫(kù)需要增加兩個(gè)步驟即一共五個(gè)步驟。額外的步驟表明了動(dòng)態(tài)庫(kù)的動(dòng)態(tài)方法具有更多的靈活性。讓我們先從靜態(tài)庫(kù)開(kāi)始。

庫(kù)的源文件 primes.c 被編譯成一個(gè)目標(biāo)模塊。下面是命令，百分號(hào) % 代表系統(tǒng)提示符，兩個(gè)井字符 # 是我的注釋。

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc -c primes.c ## 步驟1（靜態(tài)）
    2.

這一步生成目標(biāo)模塊是二進(jìn)制文件 primes.o。-c 標(biāo)志意味著只編譯。

下一步是使用 Linux 的 ar 命令將目標(biāo)對(duì)象歸檔。

 
 
 
    
  
  
  
  1. % ar -cvq libprimes.a primes.o ## 步驟2（靜態(tài)）
    2.

-cvq 三個(gè)標(biāo)識(shí)分別是“創(chuàng)建”、“詳細(xì)的”、“快速添加”（以防新文件沒(méi)有添加到歸檔中）的簡(jiǎn)稱(chēng)?；貞浺幌?，前文提到過(guò)前綴 lib 是必須的，而庫(kù)名是任意的。當(dāng)然，庫(kù)的文件名必須是唯一的，以避免沖突。

歸檔已經(jīng)準(zhǔn)備好要被發(fā)布：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % sudo cp libprimes.a /usr/local/lib ## 步驟3（靜態(tài)）
    2.

現(xiàn)在靜態(tài)庫(kù)對(duì)接下來(lái)的客戶(hù)程序是可見(jiàn)的，示例在后面。（包含 sudo 可以確保有訪問(wèn)權(quán)限將文件復(fù)制進(jìn) /usr/local/lib 目錄中）

動(dòng)態(tài)庫(kù)還需要一個(gè)或多個(gè)對(duì)象模塊進(jìn)行打包：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc primes.c -c -fpic ## 步驟1（動(dòng)態(tài)）
    2.

增加的選項(xiàng) -fpic 指示編譯器生成與位置無(wú)關(guān)的代碼，這意味著不需要將該二進(jìn)制模塊加載到一個(gè)固定的內(nèi)存位置。在一個(gè)擁有多個(gè)動(dòng)態(tài)庫(kù)的系統(tǒng)中這種靈活性是至關(guān)重要的。生成的對(duì)象模塊會(huì)略大于靜態(tài)庫(kù)生成的對(duì)象模塊。

下面是從對(duì)象模塊創(chuàng)建單個(gè)庫(kù)文件的命令：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc -shared -Wl,-soname,libshprimes.so -o libshprimes.so.1 primes.o ## 步驟2（動(dòng)態(tài)）
    2.

選項(xiàng) -shared 表明了該庫(kù)是一個(gè)共享的（動(dòng)態(tài)的）而不是靜態(tài)的。-Wl 選項(xiàng)引入了一系列編譯器選項(xiàng)，第一個(gè)便是設(shè)置動(dòng)態(tài)庫(kù)的 -soname，這是必須設(shè)置的。soname 首先指定了庫(kù)的邏輯名字（libshprimes.so），接下來(lái)的 -o 選項(xiàng)指明了庫(kù)的物理文件名字（libshprimes.so.1）。這樣做的目的是為了保持邏輯名不變的同時(shí)允許物理名隨著新版本而發(fā)生變化。在本例中，在物理文件名 libshprimes.so.1 中最后的 1 代表是第一個(gè)庫(kù)的版本。盡管邏輯文件名和物理文件名可以是相同的，但是最佳做法是將它們命名為不同的名字。一個(gè)客戶(hù)程序?qū)?huì)通過(guò)邏輯名（本例中為 libshprimes.so）來(lái)訪問(wèn)庫(kù)，稍后我會(huì)進(jìn)一步解釋。

接下來(lái)的一步是通過(guò)復(fù)制共享庫(kù)到合適的目錄下使得客戶(hù)程序容易訪問(wèn)，例如 /usr/local/lib 目錄：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % sudo cp libshprimes.so.1 /usr/local/lib ## 步驟3（動(dòng)態(tài)）
    2.

現(xiàn)在在共享庫(kù)的邏輯名（libshprimes.so）和它的物理文件名（/usr/local/lib/libshprimes.so.1）之間設(shè)置一個(gè)符號(hào)鏈接。最簡(jiǎn)單的方式是將 /usr/local/lib 作為工作目錄，在該目錄下輸入命令：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % sudo ln --symbolic libshprimes.so.1 libshprimes.so ## 步驟4（動(dòng)態(tài)）
    2.

邏輯名 libshprimes.so 不應(yīng)該改變，但是符號(hào)鏈接的目標(biāo)（libshrimes.so.1）可以根據(jù)需要進(jìn)行更新，新的庫(kù)實(shí)現(xiàn)可以是修復(fù)了 bug，提高性能等。

最后一步（一個(gè)預(yù)防措施）是調(diào)用 ldconfig 工具來(lái)配置系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)加載器。這個(gè)配置保證了加載器能夠找到新發(fā)布的庫(kù)。

 
 
 
    
  
  
  
  1. % sudo ldconfig ## 步驟5（動(dòng)態(tài)）
    2.

到現(xiàn)在，動(dòng)態(tài)庫(kù)已為包括下面的兩個(gè)在內(nèi)的示例客戶(hù)程序準(zhǔn)備就緒了。

一個(gè)使用庫(kù)的 C 程序

這個(gè)示例 C 程序是一個(gè)測(cè)試程序，它的源代碼以?xún)蓷l #include 指令開(kāi)始：

 
 
 
    
  
  
  
  1. #include  /* 標(biāo)準(zhǔn)輸入/輸出函數(shù) */
    2.   
  
  
  2. #include  /* 我的庫(kù)函數(shù) */
    3.

文件名兩邊的尖括號(hào)表示可以在編譯器的搜索路徑中找到這些頭文件（對(duì)于 primes.h 文件來(lái)說(shuō)在 /usr/local/inlcude 目錄下）。如果不包含 #include，編譯器會(huì)抱怨缺少 is_prime 和 prime_factors 等函數(shù)的聲明，它們?cè)趦蓚€(gè)庫(kù)中都有發(fā)布。順便提一句，測(cè)試程序的源代碼不需要更改即可測(cè)試兩個(gè)庫(kù)中的每一個(gè)庫(kù)。

相比之下，庫(kù)的源文件（primes.c）使用 #include 指令打開(kāi)以下頭文件：

 
 
 
    
  
  
  
  1. #include 
    2.   
  
  
  2. #include 
    3.

math.h 頭文件是必須的，因?yàn)閹?kù)函數(shù) prime_factors 會(huì)調(diào)用數(shù)學(xué)函數(shù) sqrt，其在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù) libm.so 中。

作為參考，這是測(cè)試庫(kù)程序的源代碼：

 
 
 
    
  
  
  
  1. #include 
    2.   
  
  
  2. #include 
    3.   
  
  
  3.  
    4.   
  
  
  4. int main() {
    5.   
  
  
  5.  /* 是質(zhì)數(shù) */
    6.   
  
  
  6.  printf("\nis_prime\n");
    7.   
  
  
  7.  unsigned i, count = 0, n = 1000;
    8.   
  
  
  8.  for (i = 1; i <= n; i++) {
    9.   
  
  
  9.  if (is_prime(i)) {
    10.   
  
  
  10.  count++;
    11.   
  
  
  11.  if (1 == (i % 100)) printf("Sample prime ending in 1: %i\n", i);
    12.   
  
  
  12.  }
    13.   
  
  
  13.  }
    14.   
  
  
  14.  printf("%i primes in range of 1 to a thousand.\n", count);
    15.   
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  16.  /* prime_factors */
    17.   
  
  
  17.  printf("\nprime_factors\n");
    18.   
  
  
  18.  printf("prime factors of 12: ");
    19.   
  
  
  19.  prime_factors(12);
    20.   
  
  
  20.  printf("\n");
    21.   
  
  
  21.  
    22.   
  
  
  22.  printf("prime factors of 13: ");
    23.   
  
  
  23.  prime_factors(13);
    24.   
  
  
  24.  printf("\n");
    25.   
  
  
  25.  
    26.   
  
  
  26.  printf("prime factors of 876,512,779: ");
    27.   
  
  
  27.  prime_factors(876512779);
    28.   
  
  
  28.  printf("\n");
    29.   
  
  
  29.  
    30.   
  
  
  30.  /* 是合數(shù) */
    31.   
  
  
  31.  printf("\nare_coprime\n");
    32.   
  
  
  32.  printf("Are %i and %i coprime? %s\n",
    33.   
  
  
  33.  21, 22, are_coprimes(21, 22) ? "yes" : "no");
    34.   
  
  
  34.  printf("Are %i and %i coprime? %s\n",
    35.   
  
  
  35.  21, 24, are_coprimes(21, 24) ? "yes" : "no");
    36.   
  
  
  36.  
    37.   
  
  
  37.  /* 哥德巴赫 */
    38.   
  
  
  38.  printf("\ngoldbach\n");
    39.   
  
  
  39.  goldbach(11); /* error */
    40.   
  
  
  40.  goldbach(4); /* small one */
    41.   
  
  
  41.  goldbach(6); /* another */
    42.   
  
  
  42.  for (i = 100; i <= 150; i += 2) goldbach(i);
    43.   
  
  
  43.  
    44.   
  
  
  44.  return 0;
    45.   
  
  
  45. }
    46.

測(cè)試程序

在編譯 tester.c 文件到可執(zhí)行文件時(shí)，難處理的部分時(shí)鏈接選項(xiàng)的順序。回想前文中提到兩個(gè)示例庫(kù)都是用 lib 作為前綴開(kāi)始，并且每一個(gè)都有一個(gè)常規(guī)的拓展后綴：.a 代表靜態(tài)庫(kù) libprimes.a，.so 代表動(dòng)態(tài)庫(kù) libshprimes.so。在鏈接規(guī)范中，前綴 lib 和拓展名被忽略了。鏈接標(biāo)志以 -l （小寫(xiě) L）開(kāi)始，并且一條編譯命令可能包含多個(gè)鏈接標(biāo)志。下面是一個(gè)完整的測(cè)試程序的編譯指令，使用動(dòng)態(tài)庫(kù)作為示例：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc -o tester tester.c -lshprimes -lm
    2.

第一個(gè)鏈接標(biāo)志指定了庫(kù) libshprimes.so，第二個(gè)鏈接標(biāo)志指定了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)學(xué)庫(kù) libm.so。

鏈接器是懶惰的，這意味著鏈接標(biāo)志的順序是需要考慮的。例如，調(diào)整上述實(shí)例中的鏈接順序?qū)?huì)產(chǎn)生一個(gè)編譯時(shí)錯(cuò)誤：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc -o tester tester.c -lm -lshprimes ## 危險(xiǎn)！
    2.

鏈接 libm.so 庫(kù)的標(biāo)志先出現(xiàn)，但是這個(gè)庫(kù)中沒(méi)有函數(shù)被測(cè)試程序顯式調(diào)用；因此，鏈接器不會(huì)鏈接到 math.so 庫(kù)。調(diào)用 sqrt 庫(kù)函數(shù)僅發(fā)生在 libshprimes.so 庫(kù)中包含的 prime_factors 函數(shù)。編譯測(cè)試程序返回的錯(cuò)誤是：

 
 
 
    
  
  
  
  1. primes.c: undefined reference to 'sqrt'
    2.

因此，鏈接標(biāo)志的順序應(yīng)該是通知鏈接器需要 sqrt 函數(shù)：

 
 
 
    
  
  
  
  1. % gcc -o tester tester.c -lshprimes -lm ## 首先鏈接 -lshprimes
    2.

鏈接器在 libshprimes.so 庫(kù)中發(fā)現(xiàn)了對(duì)庫(kù)函數(shù) sqrt 的調(diào)用，所以接下來(lái)對(duì)數(shù)學(xué)庫(kù) libm.so做了合適的鏈接。鏈接還有一個(gè)更復(fù)雜的選項(xiàng)，它支持鏈接的標(biāo)志順序。然而在本例中，最簡(jiǎn)單的方式就是恰當(dāng)?shù)嘏帕墟溄訕?biāo)志。

下面是運(yùn)行測(cè)試程序的部分輸出結(jié)果：

 
 
 
    
  
  
  
  1. is_prime
    2.   
  
  
  2. Sample prime ending in 1: 101
    3.   
  
  
  3. Sample prime ending in 1: 401
    4.   
  
  
  4. ...
    5.   
  
  
  5. 168 primes in range of 1 to a thousand.
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7. prime_factors
    8.   
  
  
  8. prime factors of 12: 2 2 3
    9.   
  
  
  9. prime factors of 13: 13
    10.   
  
  
  10. prime factors of 876,512,779: 211 4154089
    11.   
  
  
  11.  
    12.   
  
  
  12. are_coprime
    13.   
  
  
  13. Are 21 and 22 coprime? yes
    14.   
  
  
  14. Are 21 and 24 coprime? no
    15.   
  
  
  15.  
    16.   
  
  
  16. goldbach
    17.   
  
  
  17. Number must be > 2 and even: 11 is not.
    18.   
  
  
  18. 4 = 2 + 2
    19.   
  
  
  19. 6 = 3 + 3
    20.   
  
  
  20. ...
    21.   
  
  
  21. 32 = 3 + 29
    22.   
  
  
  22. 32 = 13 + 19
    23.   
  
  
  23. ...
    24.   
  
  
  24. 100 = 3 + 97
    25.   
  
  
  25. 100 = 11 + 89
    26.   
  
  
  26. ...
    27.

對(duì)于 goldbach 函數(shù)，即使一個(gè)相當(dāng)小的偶數(shù)值（例如 18）也許存在多個(gè)一對(duì)質(zhì)數(shù)之和的組合（在這種情況下，5+13 和 7+11）。因此這種多個(gè)質(zhì)數(shù)對(duì)是使得嘗試證明哥德巴赫猜想變得復(fù)雜的因素之一。

封裝使用庫(kù)的 Python 程序

與 C 不同，Python 不是一個(gè)靜態(tài)編譯語(yǔ)言，這意味著 Python 客戶(hù)示例程序必須訪問(wèn)動(dòng)態(tài)版本而非靜態(tài)版本的 primes 庫(kù)。為了能這樣做，Python 中有眾多的支持外部語(yǔ)言接口foreign function interface（FFI）的模塊（標(biāo)準(zhǔn)的或第三方的），它們?cè)试S用一種語(yǔ)言編寫(xiě)的程序來(lái)調(diào)用另一種語(yǔ)言編寫(xiě)的函數(shù)。Python 中的 ctypes 是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的、相對(duì)簡(jiǎn)單的允許 Python 代碼調(diào)用 C 函數(shù)的 FFI。

任何 FFI 都面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)閷?duì)接的語(yǔ)言不大可能會(huì)具有完全相同的數(shù)據(jù)類(lèi)型。例如：primes 庫(kù)使用 C 語(yǔ)言類(lèi)型 unsigned int，而 Python 并不具有這種類(lèi)型；因此 ctypes FFI 將 C 語(yǔ)言中的 unsigned int 類(lèi)型映射為 Python 中的 int 類(lèi)型。在 primes 庫(kù)中發(fā)布的四個(gè) extern C 函數(shù)中，有兩個(gè)在具有顯式 ctypes 配置的 Python 中會(huì)表現(xiàn)得更好。

C 函數(shù) prime_factors 和 goldbach 返回 void 而不是返回一個(gè)具體類(lèi)型，但是 ctypes 默認(rèn)會(huì)將 C 語(yǔ)言中的 void 替換為 Python 語(yǔ)言中的 int。當(dāng)從 Python 代碼中調(diào)用時(shí)，這兩個(gè) C 函數(shù)會(huì)從棧中返回一個(gè)隨機(jī)整數(shù)值（因此，該值無(wú)任何意義）。然而，可以對(duì) ctypes 進(jìn)行配置，讓這些函數(shù)返回 None （Python 中為 null 類(lèi)型）。下面是對(duì) prime_factors 函數(shù)的配置：

 
 
 
    
  
  
  
  1. primes.prime_factors.restype = None
    2.

可以用類(lèi)似的語(yǔ)句處理 goldbach 函數(shù)。

下面的交互示例（在 Python3 中）展示了在 Python 客戶(hù)程序和 primes 庫(kù)之間的接口是簡(jiǎn)單明了的。

 
 
 
    
  
  
  
  1. >>> from ctypes import cdll
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. >>> primes = cdll.LoadLibrary("libshprimes.so") ## 邏輯名
    4.   
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  5. >>> primes.is_prime(13)
    6.   
  
  
  6. 1
    7.   
  
  
  7. >>> primes.is_prime(12)
    8.   
  
  
  8. 0
    9.   
  
  
  9.  
    10.   
  
  
  10. >>> primes.are_coprimes(8, 24)
    11.   
  
  
  11. 0
    12.   
  
  
  12. >>> primes.are_coprimes(8, 25)
    13.   
  
  
  13. 1
    14.   
  
  
  14.  
    15.   
  
  
  15. >>> primes.prime_factors.restype = None
    16.   
  
  
  16. >>> primes.goldbach.restype = None
    17.   
  
  
  17.  
    18.   
  
  
  18. >>> primes.prime_factors(72)
    19.   
  
  
  19. 2 2 2 3 3
    20.   
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  21. >>> primes.goldbach(32)
    22.   
  
  
  22. 32 = 3 + 29
    23.   
  
  
  23. 32 = 13 + 19
    24.

在 primes 庫(kù)中的函數(shù)只使用一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)類(lèi)型：unsigned int。如果這個(gè) C 語(yǔ)言庫(kù)使用復(fù)雜的類(lèi)型如結(jié)構(gòu)體，如果庫(kù)函數(shù)傳遞和返回指向結(jié)構(gòu)體的指針，那么比 ctypes 更強(qiáng)大的 FFI 更適合作為一個(gè)在 Python 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言之間的平滑接口。盡管如此，ctypes 示例展示了一個(gè) Python 客戶(hù)程序可以使用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的庫(kù)。值得注意的是，用作科學(xué)計(jì)算的流行的 Numpy 庫(kù)是用 C 語(yǔ)言編寫(xiě)的，然后在高級(jí) Python API 中公開(kāi)。

簡(jiǎn)單的 primes 庫(kù)和高級(jí)的 Numpy 庫(kù)強(qiáng)調(diào)了 C 語(yǔ)言仍然是編程語(yǔ)言中的通用語(yǔ)言。幾乎每一個(gè)語(yǔ)言都可以與 C 語(yǔ)言交互，同時(shí)通過(guò) C 語(yǔ)言也可以和任何其他語(yǔ)言交互。Python 很容易和 C 語(yǔ)言交互，作為另外一個(gè)例子，當(dāng) Panama 項(xiàng)目 成為 Java Native Interface（JNI）一個(gè)替代品后，Java 語(yǔ)言和 C 語(yǔ)言交互也會(huì)變的很容易。 

 


當(dāng)前題目：用C語(yǔ)言理解Linux軟件庫(kù)
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