研究下 c++ 的动态链接和静态链接。

👋测试源码和环境

main.cpp

#include <string>

void Print(std::string &str);

int main()
{
    std::string str("hello!");
    Print(str);
    return 0;
}

libfoo.cpp

#include <iostream>
#include <string>

void Print(std::string &str)
{
    std::cout << str << std::endl;
}

环境

apt update && apt install -y lsb-release wget software-properties-common gnupg g++-multilib wget git make
bash <(curl -fsSL https://apt.llvm.org/llvm.sh) 18 all

## add global path
echo 'export PATH=/usr/lib/llvm-18/bin:$PATH' >> /etc/profile
echo 'export CC=clang' >> /etc/profile
echo 'export CXX=clang++' >> /etc/profile

👋libstdc++

先讨论libstdc++的情况。

libfoo

首先编译libfoo：

## 生成目标文件 libfoo.o
clang++ -c libfoo.cpp -o libfoo.o

## 生成静态库 libfoo.a
ar rcs libfoo.a libfoo.o

## 生成动态库 libfoo.so
clang++ -shared libfoo.cpp -o libfoo.so

• libfoo.o：目标文件。是源代码经过编译后生成的中间文件，包含了函数、变量和符号的实现，但不能独立运行，尚未链接成最终可执行程序。
• libfoo.a：静态库。由多个.o打包而成的文件，在编译时会被嵌入到最终的可执行文件中，程序运行时不需要再查找该库文件。
• libfoo.so：动态库或共享库。在程序运行时动态查找加载，不会在编译时被嵌入到可执行文件中。

在 windows 上：

• .o对应.obj
• .a对应.lib
• .so对应.dll

动态链接

## 编译 main.cpp
clang++ main.cpp -L. -lfoo -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
linux-vdso.so.1 (0x00007fff69daf000)
libfoo.so => not found
libstdc++.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6 (0x00007fe7a2000000)
libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007fe7a2301000)
libgcc_s.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1 (0x00007fe7a22e1000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fe7a1e1f000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fe7a23ee000)

-L选项用于指定库文件的搜索路径，我们这里指定.为当前路径。-l选项指定链接的库文件名称，链接器会自动补充前缀lib为libfoo，并且优先链接动态库，所以会链接到libfoo.so。

注意到libfoo.so => not found，执行后会报错：

## 执行
./main

## 输出
./main: error while loading shared libraries: libfoo.so: cannot open shared object file: No such file or directory

这是因为-L只是指定编译时库文件的搜索路径，而不会改变系统在运行时搜索库文件的路径，可通过环境变量LD_LIBRARY_PATH指定。

## 为LD_LIBRARY_PATH环境变量添加当前路径
export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH

## 再次执行
./main

## 输出
hello!

如果库文件前缀不以lib开头，也可以显式指定：

clang++ main.cpp ./libfoo.so -o main
clang++ main.cpp -L. -l:libfoo.so -o main

• 第一种直接指定库文件完整路径。并且路径会嵌入可执行文件中，运行时无需关心LD_LIBRARY_PATH，但如果你将可执行文件或者动态库移动到了其他目录，则无法运行。
• 第二种显式指定动态库名称。链接器不会自动追加lib前缀，如果libfoo.so不存在也不会尝试静态链接libfoo.a，但运行时仍然需要像上面那样确保库文件路径在LD_LIBRARY_PATH中。

静态链接

动态库无法静态链接，这里我们将libfoo.so重命名或者删掉，以下4种静态链接方式结果相同：

clang++ main.cpp -L. -lfoo -o main
clang++ main.cpp -L. -l:libfoo.a -o main
clang++ main.cpp ./libfoo.a -o main
clang++ main.cpp ./libfoo.o -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
linux-vdso.so.1 (0x00007ffc867f3000)
libstdc++.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6 (0x00007f0810c00000)
libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007f0810ede000)
libgcc_s.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1 (0x00007f0810ebe000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f0810a1f000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f0810fcc000)

• 第一种-l会优先查找libfoo.so，这里我们已经删掉，所以会链接到libfoo.a。
• 第二种显式指定静态库名称。
• 第三种直接指定静态库完整路径。
• 第四种直接指定目标文件。

另外还有一种更彻底的静态链接选项-static。

彻底静态链接

clang++ main.cpp ./libfoo.a -static -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
## 没有任何依赖
not a dynamic executable

-static选项阻止与动态库进行链接，这要求所有库都需要提供.a文件进行静态链接，但好处就是没有任何额外依赖，c 标准库和 c++ 标准库也会嵌入到最终的可执行文件中。

尽可能静态链接

如果你有库必须动态链接，但想尽可能静态链接其他库，可以：

clang++ main.cpp ./libfoo.a -static-libstdc++ -static-libgcc -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
linux-vdso.so.1 (0x00007fff57960000)
libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007f417fcbd000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f417fadc000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f417fe98000)

这将静态链接 c++ 标准库，但遗憾的是没有-static-libc来静态链接 c 标准库。一个折中的方法是低版本的系统上编译程序，使其链接低版本的libc，由于 c 标准库向后兼容，在高版本系统上也能正常运行。

如果你仍然想静态链接 c/c++ 标准库，但动态链接其他库，可以尝试摆弄-Wl,-Bstatic、-Wl,-Bdynamic，然后找到所有依赖逐个-l:xx.a，你需要克服无数个链接错误。。

👋libc++

在 Linux 系统上，使用 clang 编译默认是链接libstdc++，即 GCC 的 c++ 标准库实现。而libc++是 clang/llvm 的 c++ 标准库实现。

选择libstdc++还是libc++，我想在大部分项目中是没啥差别的，libc++理论上和 clang 配合更好，但在 Linux 上大多是链接libstdc++，而 macOS 上则是libc++。

重新编译libfoo

## 生成目标文件 libfoo.o
clang++ -c -stdlib=libc++ libfoo.cpp -o libfoo.o

## 生成静态库 libfoo.a
ar rcs libfoo.a libfoo.o

## 生成动态库 libfoo.so
clang++ -shared -stdlib=libc++ -fuse-ld=lld libfoo.cpp -o libfoo.so

• -stdlib，指定标准库。默认是 GCC 的libstdc++，我们明确指定为 clang 的libc++。
• -fuse-ld，指定链接器，默认是 GCC 的ld，我们明确指定为 clang 的lld。

动态链接

clang++ main.cpp ./libfoo.so -stdlib=libc++ -fuse-ld=lld -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
linux-vdso.so.1 (0x00007ffdc1ce5000)
./libfoo.so (0x00007f63905c2000)
libc++.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc++.so.1 (0x00007f63904b9000)
libc++abi.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc++abi.so.1 (0x00007f639047d000)
libunwind.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libunwind.so.1 (0x00007f639046f000)
libm.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libm.so.6 (0x00007f6390390000)
libgcc_s.so.1 => /lib/x86_64-linux-gnu/libgcc_s.so.1 (0x00007f639036e000)
libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007f639018d000)
/lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007f63905cf000)

静态链接

clang++ main.cpp ./libfoo.a -stdlib=libc++ -fuse-ld=lld -static -o main

## 查看链接的库
ldd main

## 输出
not a dynamic executable

需要注意的是当使用-stdlib=libc++时，没有对应的-static-libc++，即无法单独静态链接libc++，只能-static全部静态链接，或者尝试手动逐个链接.a文件。

👋x86-32

当目标架构是32位时，加上-m32编译选项即可，但需要注意有安装相应的i386包，文章开头我们安装了g++-multilib，很方便的提供了各种架构的库文件、头文件支持。

但 clang 的官方包仅为 debian 提供i386的软件包，并且不支持多个架构共存安装。

👋MSVC

在 Windows 上情况有所不同，一个简单的归纳概括：

libc通常特指glibc，即 GUN 的 c 标准实现，同时也有musl等其他 c 标准库实现。

而 msvc 的 c 库又称C 运行时库，msvc 自2015起默认链接UCRT，即通用 c 运行时库。UCRT 除了实现 C 标准库，还包括程序启动、错误处理、内存管理等与 Windows 系统深度耦合的运行时功能，这些功能超出了纯粹的 c 标准库范围，因此称为"C 运行时库"更贴合其用途。

在 msvc 中.lib文件的语义和 Linux 的.a文件并不完全相同，.lib文件不仅可以作为静态库使用，还可以作为动态库的“导入库”。导入库是一个特殊的.lib 文件，它不包含函数的实现，而是只包含指向动态库中函数的符号信息等。

可以使用/MT编译器选项静态链接 c 运行时库和 c++ 标准库。与之对应的是/MD进行动态链接。

在制作动态库.dll时，如果想隐式链接（像.so文件那样），还需要处理库的dllexport、dllimport，比较复杂，可以查看这里的文档了解，一个比较方便的方法是使用 xmake 的utils.symbols.export_all，会自动帮我们处理：

set_toolchains("msvc")

target("foo")
    set_kind("shared")
    add_files("libfoo.cpp")
    add_rules("utils.symbols.export_all", {export_classes = true})

target("main")
    set_kind("binary")
    add_deps("foo")
    add_files("main.cpp")