作者：劉傳璽 、盛潔、黃子軒

一. 實驗目的及實驗環(huán)境 

1.實驗目的

通過編譯和鏈接一個程序，深入理編譯和鏈接都做了什么，并掌握靜態(tài)庫和動態(tài)鏈接庫的編寫和調用方法。

2.實驗環(huán)境     

（1）硬件 

CPU：

內存：

顯示器：1920*1080 60Hz

硬盤空間: 40GB   

（2）軟件  

虛擬機名稱及版本：VMware

操作系統(tǒng)名稱及版本：Ubuntu16.04

編譯器：gcc

二. 實驗內容 

1、實驗前準備工作  

1）閱讀參考資料，了解編譯鏈接的過程

C/C++語言編寫的程序轉換成為處理器能夠執(zhí)行的二進制代碼的過程，包括四個 步驟： 

預處理（Preprocessing）

編譯（Compilation）

匯編（Assembly）

鏈接（Linking） 

其中編譯就是把預處理之后的文件進行一系列詞法分析、語法分析、語義分析以及優(yōu)化后生成的相應匯編代碼文件。匯編就是將編譯后的匯編代碼翻譯為機器碼，幾乎每一條匯編指令對應一句機器碼。鏈接是將匯編產生的目標文件和所使用的庫函數(shù)的目標文件鏈接生成一個可執(zhí)行文件的過程。

2）學習gcc、size、ar、ldd、readelf、nm等命令的使用

gcc 命令

size 命令 

size 命令基本上就是輸出指定輸入文件各段及其總和的大小。 

ar 命令

用于建立或修改備存文件，或是從備存文件中抽取文件。

語法：ar[-dmpqrtx][cfosSuvV][a<成員文件>][備存文件][成員文件] 

下表是常見命令選項 

ldd 命令

可以查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫 

下表是常見命令選項

readelf 命令

用于顯示讀取 ELF 文件中信息 

格式：readelf <option(s)> elf-file(s) 

下表是常見命令選項

nm 命令

可以打印出庫中的涉及到的所有符號。庫既可以是靜態(tài)的也可以是動態(tài)的。

對目標文件和可執(zhí)行文件而言， 可以獲得其中的函數(shù)；

另外可以從靜態(tài)庫和動態(tài)庫中獲取到函數(shù)名稱。

3）把原來寫好的生產者-消費者問題的代碼準備好。

2、實驗要求

從生產者-消費者，讀者-寫者，哲學家就餐問題的中選擇一個自己感興趣的 代碼對其進行改造，將其拆分成 2 個以上的文件單獨編譯。 
1）通過 ar 命令將其打包成靜態(tài)庫，并調用自己的靜態(tài)庫編寫程序運行， 查看結果，并用 size 命令查看各個段的大小。 

2）通過 gcc 產生動態(tài)鏈接庫，并運行，用 ldd 命令查看文件的依賴。 

3、提問并回答 

在討論區(qū)提出至少兩個問題，并給予回答，或同組內，兩個同學為一組，一 個提問，一個回答。 

三．方案設計 

1.給出靜態(tài)庫生成的過程方案。

我使用的是生產者消費者的代碼，我將宏定義和函數(shù)放到 lcx.h 這個頭文件中，再將函數(shù)定義和全局變量放到 lcx.c 這個文件中，主函數(shù)放到 main.c 這個文件中作為程序入口。之后，步驟如下： 

第一步：編輯源文件，lcx.h，lcx.c，main.c。其中 main.c 文件中包含 main 函 數(shù)，作為程序入口；main.c 中包含 main 函數(shù)中需要用到的函數(shù)。

第二步：將 main.c 編譯成目標文件。gcc -c lcx.c，得到 lcx.o 這個目標文件。

第三步：由.o 文件創(chuàng)建靜態(tài)庫。ar -rcs lcx.a lcx.o 創(chuàng)建完成后可以使用nm 查看 lcx.a 中的內容。使用 ar -t lcx.a 也可以 

第四步：在程序中使用靜態(tài)庫。gcc main.c -L. -l lcx.a -lpthread -L 指出鏈接的庫在當前目錄下，-l 加鏈接庫的名字 因為是靜態(tài)編譯，生成的執(zhí)行文件可以獨立于.a 文件運行。

第五步：執(zhí)行。

2. 給出動態(tài)庫生成的過程

第一步：編輯源文件，與創(chuàng)建靜態(tài)庫相同，代碼無變化

第二步：由 lcx.c 文件創(chuàng)建動態(tài)庫文件。

gcc  -fPIC  -shared -o lcx.so lcx.c
這里一定要用-o 重命名選項，不然默認輸出文件為 a.out 與編譯出的可執(zhí)行文件重名，到時候編譯出來的可執(zhí)行文件會覆蓋掉動態(tài)庫。

這里也可以使用 nm lcx.so 來查看動態(tài)庫中的內容

第三步：在程序中使用動態(tài)庫。gcc  main.c -L  -l ./lcx.so -lpthread

這里動態(tài)庫的路徑最好使用絕對路徑或相對路徑，如果只寫文件名容易報 錯。

第四步：執(zhí)行。

四．總結

1．實驗過程中遇到的問題及解決辦法

問題：所遇到的問題請見 error 截圖，是編譯過程的錯誤。

解決辦法：利用 vimf1.c 進行代碼的查驗，發(fā)現(xiàn)沒有錯誤，于是考慮到可能是由于子代碼的錯誤導致進行靜態(tài)庫創(chuàng)建出現(xiàn)了問題，于是對 test.c 進行查驗，發(fā)現(xiàn) void* producer 函數(shù)頭沒有進行編寫，而是將其內容作為 print()函數(shù)的功能，另外補充了 print()函數(shù)后成功編譯。
2．對設計及調試過程的心得體會

心得體會：在這次編譯代碼利用靜態(tài)庫和動態(tài)庫的過程中我學到了很多知識，靜態(tài)庫或靜態(tài)鏈接庫是一組例程，外部函數(shù)和變量，它們在編譯時在調用者中解析，并由編譯器、鏈接器或綁定器復制到目標應用程序中，從而生成目標文件和一個獨立的可 執(zhí)行文件。動態(tài)鏈接只包括庫的地址（而靜態(tài)鏈接是浪費空間）動態(tài)鏈接在運行時鏈接庫。 

靜態(tài)庫雖然可以在多個程序中重用，但在編譯時會被鎖定到程序中。另一方面， 動態(tài)或共享庫作為可執(zhí)行文件之外的單獨文件存在。接下來我分析動態(tài)庫靜態(tài)庫的優(yōu)缺點，使用靜態(tài)庫的缺點是它的代碼被鎖定到最終的可執(zhí)行文件中，如果沒有重新編譯就無法修改。相反，可以修改動態(tài)庫而無 需重新編譯。 

由于動態(tài)庫位于可執(zhí)行文件之外，因此程序只需在編譯時制作庫文件的一個 副本。而使用靜態(tài)庫意味著程序中的每個文件都必須在編譯時擁有它自己的庫文件副本。 

使用動態(tài)庫的缺點是程序更容易破壞。例如，如果動態(tài)庫損壞，則可執(zhí)行文 件可能不再起作用。但是，靜態(tài)庫是不可觸及的，因為它存在于可執(zhí)行文件中。 

使用動態(tài)庫的好處是，多個正在運行的應用程序可以使用相同的庫，而無需 每個應用程序擁有自己的副本。 

最后分析就可以得出它們的適用范圍，如果你有很多文件，靜態(tài)庫的多個副 本意味著可執(zhí)行文件的大小增加，那就建議使用動態(tài)庫，可以節(jié)省時間。如果執(zhí)行時間的好處超過節(jié)省空間的需要，那么靜態(tài)庫就是最佳選擇。

五．附錄：源代碼

main.c 

//pv操作：生產者與消費者經典問題 //author:leaf #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h>#include "lcx.h" extern int in; /*生產者放置產品的位置*/ extern int out;        /*消費者取產品的位置*/ extern int buff[M]; /*緩沖初始化為0， 開始時沒有產品*/ extern sem_t sem_dr; /*同步信號量，當滿了時阻止生產者放產品*/ extern sem_t sem_co; /*同步信號量，當沒產品時阻止消費者消費*/ extern pthread_mutex_t mutex; /*互斥信號量， 一次只有一個線程訪問緩沖*/ int main(){   pthread_t id1;  pthread_t id2;  pthread_t id3;  pthread_t id4;  int i;   int ret;   sem_mutex_init();   /*create the producer thread*/    ret = pthread_create(&id1, NULL , producer, NULL );    if (ret != 0)    {      printf ("producer creation failed \n");      exit (1);    }    ret = pthread_create(&id3, NULL , producer, NULL );    if (ret != 0)    {      printf ("producer creation failed \n");      exit (1);    }    /*create the consumer thread*/    ret = pthread_create(&id2, NULL , consumer, NULL );    if (ret != 0)    {      printf ("consumer creation failed \n");      exit (1);    }    ret = pthread_create(&id4, NULL , consumer, NULL );    if (ret != 0)    {      printf ("consumer creation failed \n");      exit (1);    }   pthread_join(id1, NULL );  pthread_join(id2, NULL );   pthread_join(id3, NULL );    pthread_join(id4, NULL );   exit (0); } 

lcx.h 

#ifndef LCX_H #define LCX_h #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #define M 32 /*緩沖數(shù)目*/ #define P( x )    sem_wait(& x ) #define V( x ) sem_post(& x ) void print();void* producer(); void* consumer(); void sem_mutex_init(); #endif

lcx.c 

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <unistd.h> #include <pthread.h> #include <semaphore.h> #include "lcx.h" int in = 0; /*生產者放置產品的位置*/ int out = 0;         /*消費者取產品的位置*/ int buff[M] = { 0 };   /*緩沖初始化為0， 開始時沒有產品*/ sem_t sem_dr;          /*同步信號量，當滿了時阻止生產者放產品*/ sem_t sem_co; /*同步信號量，當沒產品時阻止消費者消費*/ pthread_mutex_t mutex; /*互斥信號量， 一次只有一個線程訪問緩沖*/ /*  *output the buffer  */ void print() {  int i;  for (i = 0; i < M; i++)  printf ("%d ", buff[i]);   printf ("\n"); } /*  *producer  */ void* producer() {  for (;;)  {     sleep(1);     P(sem_dr);             pthread_mutex_lock(&mutex);     in = in % M;             printf ("(+)produce a product. buffer:");     buff[in] = 1;             print();             ++in;      pthread_mutex_unlock(&mutex);             V (sem_co);       } } /*  *consumer  */ void* consumer(){       for (;;)   {             sleep(2);      P(sem_co);             pthread_mutex_lock(&mutex);     out = out % M;             printf ("(-)consume a product. buffer:");     buff[out] = 0;             print();             ++out;     pthread_mutex_unlock(&mutex);             V (sem_dr);       } } void sem_mutex_init() { /*  *semaphore initialize  */  int init1 = sem_init(&sem_dr, 0, M);  int init2 = sem_init(&sem_co, 0, 0);  if ((init1 != 0) && (init2 != 0))  {  printf ("sem init failed \n");  exit (1);    }     /*       *mutex initialize       */      int init3 = pthread_mutex_init(&mutex, NULL );      if (init3 != 0)      {          printf ("mutex init failed \n");          exit (1);       } }  

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