C++ 静态库与动态库以及在 Windows上的创建、使用

一、什么是库

库是写好的现有的，成熟的，可以复用的代码。现实中每个程序都要依赖很多基础的底层库，不可能每个人的代码都从零开始，因此库的存在意义非同寻常。

本质上来说库是一种可执行代码的二进制形式，可以被操作系统载入内存执行。库有两种：静态库（.a 或 .lib）和动态库（.so 或 .dll）。

所谓静态、动态是指链接。回顾一下，将一个程序编译成可执行程序的步骤：

二、什么是静态库

之所以成为【静态库】，是因为在链接阶段，会将汇编生成的目标文件 .o 与引用到的库一起链接打包到可执行文件中。因此对应的链接方式称为静态链接。

试想一下，静态库与汇编生成的目标文件一起链接为可执行文件，那么静态库必定跟 .o 文件格式相似。其实一个静态库可以简单看成是一组目标文件（.o/.obj 文件）的集合，即很多目标文件经过压缩打包后形成的一个文件。静态库特点总结：

静态库对函数库的链接是放在编译时期完成的。
程序在运行时与函数库再无瓜葛，移植方便。
浪费空间和资源，因为所有相关的目标文件与牵涉到的函数库被链接合成一个可执行文件。

下面编写一些简单的四则运算 C++ 类，将其编译成静态库给他人用，头文件如下所示：

#pragma once

class StaticMath

{

public:

    StaticMath(void);

    ~StaticMath(void);

    static double add(double a, double b);//加法

    static double sub(double a, double b);//减法

    static double mul(double a, double b);//乘法

    static double div(double a, double b);//除法

    void print();

};

包含pragma once语句的文件只会被编译一次，和头文件中用#ifndef... #define... #endif的效果类似。

三、Windows 下创建与使用静态库

3.1 创建静态库

如果是使用 VS 命令行生成静态库，也是分两个步骤来生成程序：

首先，通过使用带编译器选项 /c 的 Cl.exe 编译代码 (cl /c StaticMath.cpp)，创建名为 “StaticMath.obj” 的目标文件。
然后，使用库管理器 Lib.exe 链接代码 (lib StaticMath.obj)，创建静态库 StaticMath.lib。

当然，我们一般不这么用，使用 VS 工程设置更方便。创建 Win32 控制台程序时，勾选静态库类型；打开工程 “属性面板” → ”配置属性” → ”常规”，配置类型选择静态库。

编译项目即可生成静态库。

3.2 使用静态库

创建 Win32 控制台测试程序：

#include "StaticMath.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int main(int argc, char* argv[])

{

    double a = 10;

    double b = 2;

    cout << "a + b = " << StaticMath::add(a, b) << endl;

    cout << "a - b = " << StaticMath::sub(a, b) << endl;

    cout << "a * b = " << StaticMath::mul(a, b) << endl;

    cout << "a / b = " << StaticMath::div(a, b) << endl;

    StaticMath sm;

    sm.print();

    system("pause");

    return 0;

}

有 3 种使用方法：

方法一：

这也是最常用的方法：

“属性面板” → ”配置属性” → “链接器” → ”常规”，附加依赖库目录中输入，静态库所在目录；
“属性面板” → ”配置属性” → “链接器” → ”输入”，附加依赖库中输入静态库名 StaticLibrary.lib。

编译运行 OK。

方法二：

打开工程 “属性面板” → ”配置属性” → “链接器” → ”命令行”，输入静态库的完整路径即可。

方法三：

工程 “属性面板” → “通用属性 ”→ “框架和引用” → ”添加引用”，将显示 “添加引用” 对话框。 “项目” 选项卡列出了当前解决方案中的各个项目以及可以引用的所有库。在 “项目” 选项卡中，选择 StaticLibrary，单击 “确定”。

添加 StaticMath.h 头文件目录，必须修改包含目录路径。打开工程 “属性面板” → ”配置属性” → “C/C++” → ” 常规”，在 “附加包含目录” 属性值中，键入 StaticMath.h 头文件所在目录的路径或浏览至该目录。

四、什么是动态库

通过上面的介绍发现静态库，容易使用和理解，也达到了代码复用的目的，那为什么还需要动态库呢？

为什么需要动态库，其实也是静态库的特点导致。

空间浪费是静态库的一个问题。
另一个问题是静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。如果静态库 liba.lib 更新了，所以使用它的应用程序都需要重新编译、发布给用户（对于玩家来说，可能是一个很小的改动，却导致整个程序重新下载，全量更新）。

动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入。不同的应用程序如果调用相同的库，那么在内存里只需要有一份该共享库的实例，规避了空间浪费问题。动态库在程序运行是才被载入，也解决了静态库对程序的更新、部署和发布页会带来麻烦。用户只需要更新动态库即可，增量更新。

动态库特点总结：

动态库把对一些库函数的链接载入推迟到程序运行的时期。
可以实现进程之间的资源共享。（因此动态库也称为共享库）
将一些程序升级变得简单。
甚至可以真正做到链接载入完全由程序员在程序代码中控制（显示调用）。

Window 与 Linux 执行文件格式不同，在创建动态库的时候有一些差异。

在 Windows 系统下的执行文件格式是 PE 格式，动态库需要一个 DllMain 函数做出初始化的入口，通常在导出函数的声明时需要有 _declspec(dllexport)关键字。
Linux 下 gcc 编译的执行文件默认是 ELF 格式，不需要初始化入口，亦不需要函数做特别的声明，编写比较方便。

五、Windows 下创建与使用动态库

5.1 创建动态库

与 Linux 相比，在 Windows 系统下创建动态库要稍微麻烦一些。首先，需要一个 DllMain 函数做出初始化的入口（创建 win32 控制台程序时，勾选 DLL 类型会自动生成这个文件）：

// dllmain.cpp : Defines the entry point for the DLL application.

#include "stdafx.h"

BOOL APIENTRY DllMain( HMODULE hModule,

                       DWORD  ul_reason_for_call,

                       LPVOID lpReserved

                     )

{

    switch (ul_reason_for_call)

    {

    case DLL_PROCESS_ATTACH:

    case DLL_THREAD_ATTACH:

    case DLL_THREAD_DETACH:

    case DLL_PROCESS_DETACH:

        break;

    }

    return TRUE;

}

通常在导出函数的声明时需要有 _declspec(dllexport) 关键字：

#pragma once

class DynamicMath

{

public:

    __declspec(dllexport) DynamicMath(void);

    __declspec(dllexport) ~DynamicMath(void);

    static __declspec(dllexport) double add(double a, double b);//加法

    static __declspec(dllexport) double sub(double a, double b);//减法

    static __declspec(dllexport) double mul(double a, double b);//乘法

    static __declspec(dllexport) double div(double a, double b);//除法

    __declspec(dllexport) void print();

};

生成动态库需要设置工程属性，打开工程 “属性面板” → ”配置属性” → ”常规”，配置类型选择动态库。

编译项目即可生成动态库。

5.2 使用动态库

创建 Win32 控制台测试程序：

#include "stdafx.h"

#include "DynamicMath.h"

#include <iostream>

using namespace std;

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    double a = 10;

    double b = 2;

    cout << "a + b = " << DynamicMath::add(a, b) << endl;

    cout << "a - b = " << DynamicMath::sub(a, b) << endl;

    cout << "a * b = " << DynamicMath::mul(a, b) << endl;

    cout << "a / b = " << DynamicMath::div(a, b) << endl;

    DynamicMath dyn;

    dyn.print();

    system("pause");

    return 0;

}

有 2 种使用方法：

方法一：

“属性面板” → ”配置属性” → “链接器” → ”常规”，附加依赖库目录中输入，动态库所在目录；

“属性面板” → ”配置属性” → “链接器” → ”输入”，附加依赖库中输入动态库编译出来的 DynamicLibrary.lib。

编译运行 OK。

这里可能大家有个疑问，动态库怎么还有一个 DynamicLibrary.lib 文件？即无论是静态链接库还是动态链接库，最后都有 lib 文件，那么两者区别是什么呢？其实，两个是完全不一样的东西。

StaticLibrary.lib 的大小为 190KB，DynamicLibrary.lib 的大小为 3KB，静态库对应的 lib 文件叫静态库，动态库对应的lib文件叫【导入库】。实际上静态库本身就包含了实际执行代码、符号表等等，而对于导入库而言，其实际的执行代码位于动态库中，导入库只包含了地址符号表等，确保程序找到对应函数的一些基本地址信息。

方法二：

工程 “属性面板” → “通用属性” → “框架和引用” → ”添加引用”，将显示 “添加引用” 对话框。“项目” 选项卡列出了当前解决方案中的各个项目以及可以引用的所有库。在 “项目” 选项卡中，选择 DynamicLibrary，单击 “确定”。

添加 DynamicMath.h 头文件目录，必须修改包含目录路径。打开工程 “属性面板” → ”配置属性” → “C/C++” → ” 常规”，在 “附加包含目录” 属性值中，键入 DynamicMath.h 头文件所在目录的路径或浏览至该目录。

六、在 Windows 下显式调用动态库

应用程序必须进行函数调用以在运行时显式加载 DLL。为显式链接到 DLL，应用程序必须：

调用 LoadLibrary（或相似的函数）以加载 DLL 和获取模块句柄。
调用 GetProcAddress，以获取指向应用程序要调用的每个导出函数的函数指针。由于应用程序是通过指针调用 DLL 的函数，编译器不生成外部引用，故无需与导入库链接。
使用完 DLL 后调用 FreeLibrary。

对 C++ 来说，情况稍微复杂。显式加载一个 C++ 动态库的困难一部分是因为 C++ 的 name mangling；另一部分是因为没有提供一个合适的 API 来装载类，在 C++ 中，您可能要用到库中的一个类，而这需要创建该类的一个实例，这不容易做到。

name mangling 可以通过 extern “C” 解决。C++ 有个特定的关键字用来声明采用 C binding 的函数：extern “C” 。用 extern “C” 声明的函数将使用函数名作符号名，就像 C 函数一样。因此，只有非成员函数才能被声明为 extern “C”，并且不能被重载。尽管限制多多，extern “C” 函数还是非常有用，因为它们可以象 C 函数一样被 dlopen 动态加载。冠以 extern “C” 限定符后，并不意味着函数中无法使用 C++ 代码了，相反，它仍然是一个完全的 C++ 函数，可以使用任何 C++ 特性和各种类型的参数。

另外如何从 C++ 动态库中获取类，附上几篇相关文章，但我并不建议这么做：

《LoadLibrary调用DLL中的Class》：http://www.cppblog.com/codejie/archive/2009/09/24/97141.html
《C++ dlopen mini HOWTO》：http://blog.csdn.net/denny_233/article/details/7255673

“显式” 使用 C++ 动态库中的 Class 是非常繁琐和危险的事情，因此能用 “隐式” 就不要用 “显式”，能静态就不要用动态。

七、总结

二者的不同点在于代码被载入的时刻不同。

静态库在程序编译时会被连接到目标代码中，程序运行时将不再需要该静态库，因此体积较大。
动态库在程序编译时并不会被连接到目标代码中，而是在程序运行是才被载入，因此在程序运行时还需要动态库存在，因此代码体积较小。

静态编译：编译器在编译可执行文件的时候，将可执行文件需要调用的对应静态库（.a 或 .lib）中的部分提取出来，链接到可执行文件中去，使可执行文件在运行的时候不依赖于动态链接库。

动态编译：可执行文件需要附带一个的动态链接库（.so 或 .dll），在执行时，需要调用其对应动态链接库中的命令。

优点：一方面是缩小了执行文件本身的体积，另一方面是加快了编译速度，节省了系统资源。
缺点：一是哪怕是很简单的程序，只用到了链接库中的一两条命令，也需要附带一个相对庞大的链接库；二是如果其他计算机上没有安装对应的运行库，则用动态编译的可执行文件就不能运行。

这里暂时只介绍 Windows 下库的创建和使用，Linux 暂不涉及，以后有空再总结。

参考：

【C/C++开发】C++静态库与动态库以及在Linux和Windows上的创建使用