作者：劉傳璽 、盛潔、黃子軒

一. 實(shí)驗(yàn)?zāi)康募皩?shí)驗(yàn)環(huán)境 

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

通過編譯和鏈接一個(gè)程序，深入理編譯和鏈接都做了什么，并掌握靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的編寫和調(diào)用方法。

2.實(shí)驗(yàn)環(huán)境     

（1）硬件 

CPU：

內(nèi)存：

顯示器：1920*1080 60Hz

硬盤空間: 40GB   

（2）軟件  

虛擬機(jī)名稱及版本：VMware

操作系統(tǒng)名稱及版本：Ubuntu16.04

編譯器：gcc

二. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 

1、實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)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(zhuǎn)換成為處理器能夠執(zhí)行的二進(jìn)制代碼的過程，包括四個(gè) 步驟： 

預(yù)處理（Preprocessing）

編譯（Compilation）

匯編（Assembly）

鏈接（Linking） 

其中編譯就是把預(yù)處理之后的文件進(jìn)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(yīng)匯編代碼文件。匯編就是將編譯后的匯編代碼翻譯為機(jī)器碼，幾乎每一條匯編指令對(duì)應(yīng)一句機(jī)器碼。鏈接是將匯編產(chǎn)生的目標(biāo)文件和所使用的庫(kù)函數(shù)的目標(biāo)文件鏈接生成一個(gè)可執(zhí)行文件的過程。

2）學(xué)習(xí)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(xiàng) 

ldd 命令

可以查看一個(gè)可執(zhí)行程序依賴的共享庫(kù) 

下表是常見命令選項(xiàng)

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(xiàng)

nm 命令

可以打印出庫(kù)中的涉及到的所有符號(hào)。庫(kù)既可以是靜態(tài)的也可以是動(dòng)態(tài)的。

對(duì)目標(biāo)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(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)中獲取到函數(shù)名稱。

3）把原來寫好的生產(chǎn)者-消費(fèi)者問題的代碼準(zhǔn)備好。

2、實(shí)驗(yàn)要求

從生產(chǎn)者-消費(fèi)者，讀者-寫者，哲學(xué)家就餐問題的中選擇一個(gè)自己感興趣的 代碼對(duì)其進(jìn)行改造，將其拆分成 2 個(gè)以上的文件單獨(dú)編譯。 
1）通過 ar 命令將其打包成靜態(tài)庫(kù)，并調(diào)用自己的靜態(tài)庫(kù)編寫程序運(yùn)行， 查看結(jié)果，并用 size 命令查看各個(gè)段的大小。 

2）通過 gcc 產(chǎn)生動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，并運(yùn)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(gè)問題，并給予回答，或同組內(nèi)，兩個(gè)同學(xué)為一組，一 個(gè)提問，一個(gè)回答。 

三．方案設(shè)計(jì) 

1.給出靜態(tài)庫(kù)生成的過程方案。

我使用的是生產(chǎn)者消費(fèi)者的代碼，我將宏定義和函數(shù)放到 lcx.h 這個(gè)頭文件中，再將函數(shù)定義和全局變量放到 lcx.c 這個(gè)文件中，主函數(shù)放到 main.c 這個(gè)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(biāo)文件。gcc -c lcx.c，得到 lcx.o 這個(gè)目標(biāo)文件。

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

第四步：在程序中使用靜態(tài)庫(kù)。gcc main.c -L. -l lcx.a -lpthread -L 指出鏈接的庫(kù)在當(dāng)前目錄下，-l 加鏈接庫(kù)的名字 因?yàn)槭庆o態(tài)編譯，生成的執(zhí)行文件可以獨(dú)立于.a 文件運(yùn)行。

第五步：執(zhí)行。

2. 給出動(dòng)態(tài)庫(kù)生成的過程

第一步：編輯源文件，與創(chuàng)建靜態(tài)庫(kù)相同，代碼無變化

第二步：由 lcx.c 文件創(chuàng)建動(dòng)態(tài)庫(kù)文件。

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

這里也可以使用 nm lcx.so 來查看動(dòng)態(tài)庫(kù)中的內(nèi)容

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

這里動(dòng)態(tài)庫(kù)的路徑最好使用絕對(duì)路徑或相對(duì)路徑，如果只寫文件名容易報(bào) 錯(cuò)。

第四步：執(zhí)行。

四．總結(jié)

1．實(shí)驗(yàn)過程中遇到的問題及解決辦法

問題：所遇到的問題請(qǐng)見 error 截圖，是編譯過程的錯(cuò)誤。

解決辦法：利用 vimf1.c 進(jìn)行代碼的查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沒有錯(cuò)誤，于是考慮到可能是由于子代碼的錯(cuò)誤導(dǎo)致進(jìn)行靜態(tài)庫(kù)創(chuàng)建出現(xiàn)了問題，于是對(duì) test.c 進(jìn)行查驗(yàn)，發(fā)現(xiàn) void* producer 函數(shù)頭沒有進(jìn)行編寫，而是將其內(nèi)容作為 print()函數(shù)的功能，另外補(bǔ)充了 print()函數(shù)后成功編譯。
2．對(duì)設(shè)計(jì)及調(diào)試過程的心得體會(huì)

心得體會(huì)：在這次編譯代碼利用靜態(tài)庫(kù)和動(dòng)態(tài)庫(kù)的過程中我學(xué)到了很多知識(shí)，靜態(tài)庫(kù)或靜態(tài)鏈接庫(kù)是一組例程，外部函數(shù)和變量，它們?cè)诰幾g時(shí)在調(diào)用者中解析，并由編譯器、鏈接器或綁定器復(fù)制到目標(biāo)應(yīng)用程序中，從而生成目標(biāo)文件和一個(gè)獨(dú)立的可 執(zhí)行文件。動(dòng)態(tài)鏈接只包括庫(kù)的地址（而靜態(tài)鏈接是浪費(fèi)空間）動(dòng)態(tài)鏈接在運(yùn)行時(shí)鏈接庫(kù)。 

靜態(tài)庫(kù)雖然可以在多個(gè)程序中重用，但在編譯時(shí)會(huì)被鎖定到程序中。另一方面， 動(dòng)態(tài)或共享庫(kù)作為可執(zhí)行文件之外的單獨(dú)文件存在。接下來我分析動(dòng)態(tài)庫(kù)靜態(tài)庫(kù)的優(yōu)缺點(diǎn)，使用靜態(tài)庫(kù)的缺點(diǎn)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(dòng)態(tài)庫(kù)而無 需重新編譯。 

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

使用動(dòng)態(tài)庫(kù)的缺點(diǎn)是程序更容易破壞。例如，如果動(dòng)態(tài)庫(kù)損壞，則可執(zhí)行文 件可能不再起作用。但是，靜態(tài)庫(kù)是不可觸及的，因?yàn)樗嬖谟诳蓤?zhí)行文件中。 

使用動(dòng)態(tài)庫(kù)的好處是，多個(gè)正在運(yùn)行的應(yīng)用程序可以使用相同的庫(kù)，而無需 每個(gè)應(yīng)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(kù)的多個(gè)副 本意味著可執(zhí)行文件的大小增加，那就建議使用動(dòng)態(tài)庫(kù)，可以節(jié)省時(shí)間。如果執(zhí)行時(shí)間的好處超過節(jié)省空間的需要，那么靜態(tài)庫(kù)就是最佳選擇。

五．附錄：源代碼

main.c 

//pv操作：生產(chǎn)者與消費(fèi)者經(jīng)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(chǎn)者放置產(chǎn)品的位置*/ extern int out;        /*消費(fèi)者取產(chǎn)品的位置*/ extern int buff[M]; /*緩沖初始化為0， 開始時(shí)沒有產(chǎn)品*/ extern sem_t sem_dr; /*同步信號(hào)量，當(dāng)滿了時(shí)阻止生產(chǎn)者放產(chǎn)品*/ extern sem_t sem_co; /*同步信號(hào)量，當(dāng)沒產(chǎn)品時(shí)阻止消費(fèi)者消費(fèi)*/ extern pthread_mutex_t mutex; /*互斥信號(hào)量， 一次只有一個(gè)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(chǎn)者放置產(chǎn)品的位置*/ int out = 0;         /*消費(fèi)者取產(chǎn)品的位置*/ int buff[M] = { 0 };   /*緩沖初始化為0， 開始時(shí)沒有產(chǎn)品*/ sem_t sem_dr;          /*同步信號(hào)量，當(dāng)滿了時(shí)阻止生產(chǎn)者放產(chǎn)品*/ sem_t sem_co; /*同步信號(hào)量，當(dāng)沒產(chǎn)品時(shí)阻止消費(fèi)者消費(fèi)*/ pthread_mutex_t mutex; /*互斥信號(hào)量， 一次只有一個(gè)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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