C++靜態(tài)庫與動態(tài)庫深入研究
這次分享的宗旨是——讓大家學會創(chuàng)建與使用靜態(tài)庫、動態(tài)庫，知道靜態(tài)庫與動態(tài)庫的區(qū)別，知道使用的時候如何選擇。這里不深入介紹靜態(tài)庫、動態(tài)庫的底層格式，內(nèi)存布局等，有興趣的同學，推薦一本書《程序員的自我修養(yǎng)——鏈接、裝載與庫》。
什么是庫
庫是寫好的現(xiàn)有的，成熟的，可以復用的代碼。現(xiàn)實中每個程序都要依賴很多基礎(chǔ)的底層庫，不可能每個人的代碼都從零開始，因此庫的存在意義非同尋常。
本質(zhì)上來說庫是一種可執(zhí)行代碼的二進制形式，可以被操作系統(tǒng)載入內(nèi)存執(zhí)行。庫有兩種：靜態(tài)庫（.a、.lib）和動態(tài)庫（.so、.dll）。
所謂靜態(tài)、動態(tài)是指鏈接。回顧一下，將一個程序編譯成可執(zhí)行程序的步驟：
靜態(tài)庫
之所以成為【靜態(tài)庫】，是因為在鏈接階段，會將匯編生成的目標文件.o與引用到的庫一起鏈接打包到可執(zhí)行文件中。因此對應的鏈接方式稱為靜態(tài)鏈接。
試想一下，靜態(tài)庫與匯編生成的目標文件一起鏈接為可執(zhí)行文件，那么靜態(tài)庫必定跟.o文件格式相似。其實一個靜態(tài)庫可以簡單看成是一組目標文件（.o/.obj文件）的集合，即很多目標文件經(jīng)過壓縮打包后形成的一個文件。靜態(tài)庫特點總結(jié)：
-
靜態(tài)庫對函數(shù)庫的鏈接是放在編譯時期完成的。
-
程序在運行時與函數(shù)庫再無瓜葛，移植方便。
-
浪費空間和資源，因為所有相關(guān)的目標文件與牽涉到的函數(shù)庫被鏈接合成一個可執(zhí)行文件。
下面編寫一些簡單的四則運算C++類，將其編譯成靜態(tài)庫給他人用，頭文件如下所示：
- #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);//減法
- static double mul(double a, double b);//乘法
- static double div(double a, double b);//除法
- void print();
- };
inux下使用ar工具、Windows下vs使用lib.exe，將目標文件壓縮到一起，并且對其進行編號和索引，以便于查找和檢索。一般創(chuàng)建靜態(tài)庫的步驟如圖所示：
#p#
Linux下創(chuàng)建與使用靜態(tài)庫
Linux靜態(tài)庫命名規(guī)則
Linux靜態(tài)庫命名規(guī)范，必須是”lib[your_library_name].a”：lib為前綴，中間是靜態(tài)庫名，擴展名為.a。
創(chuàng)建靜態(tài)庫（.a）
通過上面的流程可以知道，Linux創(chuàng)建靜態(tài)庫過程如下：
-
首先，將代碼文件編譯成目標文件.o（StaticMath.o）
g++ -c StaticMath.cpp
注意帶參數(shù)-c，否則直接編譯為可執(zhí)行文件
-
然后，通過ar工具將目標文件打包成.a靜態(tài)庫文件
ar -crv libstaticmath.a StaticMath.o
生成靜態(tài)庫libstaticmath.a。
大一點的項目會編寫makefile文件（CMake等等工程管理工具）來生成靜態(tài)庫，輸入多個命令太麻煩了。
使用靜態(tài)庫
編寫使用上面創(chuàng)建的靜態(tài)庫的測試代碼：
- #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;
- }
Linux下使用靜態(tài)庫，只需要在編譯的時候，指定靜態(tài)庫的搜索路徑（-L選項）、指定靜態(tài)庫名（不需要lib前綴和.a后綴，-l選項）。
# g++ TestStaticLibrary.cpp -L../StaticLibrary -lstaticmath
-
-L：表示要連接的庫所在目錄
-
-l：指定鏈接時需要的動態(tài)庫，編譯器查找動態(tài)連接庫時有隱含的命名規(guī)則，即在給出的名字前面加上lib，后面加上.a或.so來確定庫的名稱。
#p#
Windows下創(chuàng)建與使用靜態(tài)庫
創(chuàng)建靜態(tài)庫（.lib）
如果是使用VS命令行生成靜態(tài)庫，也是分兩個步驟來生成程序：
-
首先，通過使用帶編譯器選項 /c 的 Cl.exe 編譯代碼 (cl /c StaticMath.cpp)，創(chuàng)建名為“StaticMath.obj”的目標文件。
-
然后，使用庫管理器 Lib.exe 鏈接代碼 (lib StaticMath.obj)，創(chuàng)建靜態(tài)庫StaticMath.lib。
當然，我們一般不這么用，使用VS工程設置更方便。創(chuàng)建win32控制臺程序時，勾選靜態(tài)庫類型；打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→”常規(guī)”，配置類型選擇靜態(tài)庫。
Build項目即可生成靜態(tài)庫。
使用靜態(tài)庫
測試代碼Linux下面的一樣。有3種使用方法：
方法一：
在VS中使用靜態(tài)庫方法：
-
工程“屬性面板”→“通用屬性”→“框架和引用”→”添加引用”，將顯示“添加引用”對話框。 “項目”選項卡列出了當前解決方案中的各個項目以及可以引用的所有庫。 在“項目”選項卡中，選擇 StaticLibrary。 單擊“確定”。
-
添加StaticMath.h 頭文件目錄，必須修改包含目錄路徑。打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→“C/C++”→” 常規(guī)”，在“附加包含目錄”屬性值中，鍵入StaticMath.h 頭文件所在目錄的路徑或瀏覽至該目錄。
編譯運行OK。
如果引用的靜態(tài)庫不是在同一解決方案下的子工程，而是使用第三方提供的靜態(tài)庫lib和頭文件，上面的方法設置不了。還有2中方法設置都可行。
方法二：
打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→ “鏈接器”→ ”命令行”，輸入靜態(tài)庫的完整路徑即可。
方法三：
-
“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”常規(guī)”，附加依賴庫目錄中輸入，靜態(tài)庫所在目錄；
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“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”輸入”，附加依賴庫中輸入靜態(tài)庫名StaticLibrary.lib。
#p#
動態(tài)庫
通過上面的介紹發(fā)現(xiàn)靜態(tài)庫，容易使用和理解，也達到了代碼復用的目的，那為什么還需要動態(tài)庫呢？
為什么還需要動態(tài)庫？
為什么需要動態(tài)庫，其實也是靜態(tài)庫的特點導致。
-
空間浪費是靜態(tài)庫的一個問題。
-
另一個問題是靜態(tài)庫對程序的更新、部署和發(fā)布頁會帶來麻煩。如果靜態(tài)庫liba.lib更新了，所以使用它的應用程序都需要重新編譯、發(fā)布給用戶（對于玩家來說，可能是一個很小的改動，卻導致整個程序重新下載，全量更新）。
動態(tài)庫在程序編譯時并不會被連接到目標代碼中，而是在程序運行是才被載入。不同的應用程序如果調(diào)用相同的庫，那么在內(nèi)存里只需要有一份該共享庫的實 例，規(guī)避了空間浪費問題。動態(tài)庫在程序運行是才被載入，也解決了靜態(tài)庫對程序的更新、部署和發(fā)布頁會帶來麻煩。用戶只需要更新動態(tài)庫即可，增量更新。
動態(tài)庫特點總結(jié)：
-
動態(tài)庫把對一些庫函數(shù)的鏈接載入推遲到程序運行的時期。
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可以實現(xiàn)進程之間的資源共享。（因此動態(tài)庫也稱為共享庫）
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將一些程序升級變得簡單。
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甚至可以真正做到鏈接載入完全由程序員在程序代碼中控制（顯示調(diào)用）。
Window與Linux執(zhí)行文件格式不同，在創(chuàng)建動態(tài)庫的時候有一些差異。
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在Windows系統(tǒng)下的執(zhí)行文件格式是PE格式，動態(tài)庫需要一個DllMain函數(shù)做出初始化的入口，通常在導出函數(shù)的聲明時需要有_declspec(dllexport)關(guān)鍵字。
-
Linux下gcc編譯的執(zhí)行文件默認是ELF格式，不需要初始化入口，亦不需要函數(shù)做特別的聲明，編寫比較方便。
與創(chuàng)建靜態(tài)庫不同的是，不需要打包工具（ar、lib.exe），直接使用編譯器即可創(chuàng)建動態(tài)庫。
#p#
Linux下創(chuàng)建與使用動態(tài)庫
linux動態(tài)庫的命名規(guī)則
動態(tài)鏈接庫的名字形式為 libxxx.so，前綴是lib，后綴名為“.so”。
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針對于實際庫文件，每個共享庫都有個特殊的名字“soname”。在程序啟動后，程序通過這個名字來告訴動態(tài)加載器該載入哪個共享庫。
-
在文件系統(tǒng)中，soname僅是一個鏈接到實際動態(tài)庫的鏈接。對于動態(tài)庫而言，每個庫實際上都有另一個名字給編譯器來用。它是一個指向?qū)嶋H庫鏡像文件的鏈接文件（lib+soname+.so）。
創(chuàng)建動態(tài)庫（.so）
編寫四則運算動態(tài)庫代碼：
- #pragma once
- class DynamicMath
- {
- public:
- DynamicMath(void);
- ~DynamicMath(void);
- static double add(double a, double b);
- static double sub(double a, double b);
- static double mul(double a, double b);
- static double div(double a, double b);
- void print();
- };
首先，生成目標文件，此時要加編譯器選項-fpic
g++ -fPIC -c DynamicMath.cpp
-fPIC 創(chuàng)建與地址無關(guān)的編譯程序（pic，position independent code），是為了能夠在多個應用程序間共享。
-
然后，生成動態(tài)庫，此時要加鏈接器選項-shared
g++ -shared -o libdynmath.so DynamicMath.o
-shared指定生成動態(tài)鏈接庫。
其實上面兩個步驟可以合并為一個命令：
g++ -fPIC -shared -o libdynmath.so DynamicMath.cpp
使用動態(tài)庫
編寫使用動態(tài)庫的測試代碼：
- #include "../DynamicLibrary/DynamicMath.h"
- #include <iostream>
- using namespace std;
- int main(int argc, char* 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();
- return 0;
- }
引用動態(tài)庫編譯成可執(zhí)行文件（跟靜態(tài)庫方式一樣）：
g++ TestDynamicLibrary.cpp -L../DynamicLibrary -ldynmath
然后運行：./a.out，發(fā)現(xiàn)竟然報錯了！！！
可能大家會猜測，是因為動態(tài)庫跟測試程序不是一個目錄，那我們驗證下是否如此：
發(fā)現(xiàn)還是報錯！！！那么，在執(zhí)行的時候是如何定位共享庫文件的呢？
1) 當系統(tǒng)加載可執(zhí)行代碼時候，能夠知道其所依賴的庫的名字，但是還需要知道絕對路徑。此時就需要系統(tǒng)動態(tài)載入器(dynamic linker/loader)。
2) 對于elf格式的可執(zhí)行程序，是由ld-linux.so*來完成的，它先后搜索elf文件的 DT_RPATH段—環(huán)境變量LD_LIBRARY_PATH—/etc/ld.so.cache文件列表—/lib/,/usr/lib 目錄找到庫文件后將其載入內(nèi)存。
如何讓系統(tǒng)能夠找到它：
-
如果安裝在/lib或者/usr/lib下，那么ld默認能夠找到，無需其他操作。
-
如果安裝在其他目錄，需要將其添加到/etc/ld.so.cache文件中，步驟如下：
-
1. 編輯/etc/ld.so.conf文件，加入庫文件所在目錄的路徑
-
2. 運行l(wèi)dconfig ，該命令會重建/etc/ld.so.cache文件
我們將創(chuàng)建的動態(tài)庫復制到/usr/lib下面，然后運行測試程序。
#p#
Windows下創(chuàng)建與使用動態(tài)庫
創(chuàng)建動態(tài)庫（.dll）
與Linux相比，在Windows系統(tǒng)下創(chuàng)建動態(tài)庫要稍微麻煩一些。首先，需要一個DllMain函數(shù)做出初始化的入口（創(chuàng)建win32控制臺程序時，勾選DLL類型會自動生成這個文件）：
- // 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;
- }
通常在導出函數(shù)的聲明時需要有_declspec(dllexport)關(guān)鍵字：
- #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);//減法
- 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();
- };
生成動態(tài)庫需要設置工程屬性，打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→”常規(guī)”，配置類型選擇動態(tài)庫。
Build項目即可生成動態(tài)庫。
使用動態(tài)庫
創(chuàng)建win32控制臺測試程序：
- #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;
- }
方法一：
-
工程“屬性面板”→“通用屬性”→“框架和引用”→”添加引用”，將顯示“添加引用”對話框。“項目”選項卡列出了當前解決方案中的各個項目以及可以引用的所有庫。 在“項目”選項卡中，選擇 DynamicLibrary。 單擊“確定”。
-
添加DynamicMath.h 頭文件目錄，必須修改包含目錄路徑。打開工程“屬性面板”→”配置屬性”→“C/C++”→” 常規(guī)”，在“附加包含目錄”屬性值中，鍵入DynamicMath.h 頭文件所在目錄的路徑或瀏覽至該目錄。
編譯運行OK。
方法二：
-
“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”常規(guī)”，附加依賴庫目錄中輸入，動態(tài)庫所在目錄；
-
“屬性面板”→”配置屬性”→“鏈接器”→”輸入”，附加依賴庫中輸入動態(tài)庫編譯出來的DynamicLibrary.lib。
這里可能大家有個疑問，動態(tài)庫怎么還有一個DynamicLibrary.lib文件？即無論是靜態(tài)鏈接庫還是動態(tài)鏈接庫，最后都有l(wèi)ib文件，那么兩者區(qū)別是什么呢？其實，兩個是完全不一樣的東西。
StaticLibrary.lib的大小為190KB，DynamicLibrary.lib的大小為3KB，靜態(tài)庫對應的lib文件叫靜態(tài)庫， 動態(tài)庫對應的lib文件叫【導入庫】。實際上靜態(tài)庫本身就包含了實際執(zhí)行代碼、符號表等等，而對于導入庫而言，其實際的執(zhí)行代碼位于動態(tài)庫中，導入庫只包 含了地址符號表等，確保程序找到對應函數(shù)的一些基本地址信息。
#p#
動態(tài)庫的顯式調(diào)用
上面介紹的動態(tài)庫使用方法和靜態(tài)庫類似屬于隱式調(diào)用，編譯的時候指定相應的庫和查找路徑。其實，動態(tài)庫還可以顯式調(diào)用。【在C語言中】，顯示調(diào)用一個動態(tài)庫輕而易舉！
在Linux下顯式調(diào)用動態(tài)庫
#include <dlfcn.h>，提供了下面幾個接口：
-
void * dlopen( const char * pathname, int mode )：函數(shù)以指定模式打開指定的動態(tài)連接庫文件，并返回一個句柄給調(diào)用進程。
-
void* dlsym(void* handle,const char* symbol)：dlsym根據(jù)動態(tài)鏈接庫操作句柄(pHandle)與符號(symbol)，返回符號對應的地址。使用這個函數(shù)不但可以獲取函數(shù)地址，也可以獲取變量地址。
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int dlclose (void *handle)：dlclose用于關(guān)閉指定句柄的動態(tài)鏈接庫，只有當此動態(tài)鏈接庫的使用計數(shù)為0時,才會真正被系統(tǒng)卸載。
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const char *dlerror(void)：當動態(tài)鏈接庫操作函數(shù)執(zhí)行失敗時，dlerror可以返回出錯信息，返回值為NULL時表示操作函數(shù)執(zhí)行成功。
在Windows下顯式調(diào)用動態(tài)庫
應用程序必須進行函數(shù)調(diào)用以在運行時顯式加載 DLL。為顯式鏈接到 DLL，應用程序必須：
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調(diào)用 LoadLibrary（或相似的函數(shù)）以加載 DLL 和獲取模塊句柄。
-
調(diào)用 GetProcAddress，以獲取指向應用程序要調(diào)用的每個導出函數(shù)的函數(shù)指針。由于應用程序是通過指針調(diào)用 DLL 的函數(shù)，編譯器不生成外部引用，故無需與導入庫鏈接。
-
使用完 DLL 后調(diào)用 FreeLibrary。
顯式調(diào)用C++動態(tài)庫注意點
對C++來說，情況稍微復雜。顯式加載一個C++動態(tài)庫的困難一部分是因為C++的name mangling；另一部分是因為沒有提供一個合適的API來裝載類，在C++中，您可能要用到庫中的一個類，而這需要創(chuàng)建該類的一個實例，這不容易做到。
name mangling可以通過extern “C”解決。C++有個特定的關(guān)鍵字用來聲明采用C binding的函數(shù)：extern “C” 。用 extern “C”聲明的函數(shù)將使用函數(shù)名作符號名，就像C函數(shù)一樣。因此，只有非成員函數(shù)才能被聲明為extern “C”，并且不能被重載。盡管限制多多，extern “C”函數(shù)還是非常有用，因為它們可以象C函數(shù)一樣被dlopen動態(tài)加載。冠以extern “C”限定符后，并不意味著函數(shù)中無法使用C++代碼了，相反，它仍然是一個完全的C++函數(shù)，可以使用任何C++特性和各種類型的參數(shù)。
另外如何從C++動態(tài)庫中獲取類，附上幾篇相關(guān)文章，但我并不建議這么做：
-
《LoadLibrary調(diào)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
“顯式”使用C++動態(tài)庫中的Class是非常繁瑣和危險的事情，因此能用“隱式”就不要用“顯式”，能靜態(tài)就不要用動態(tài)。
附件：Linux下庫相關(guān)命令
g++(gcc)編譯選項
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-shared ：指定生成動態(tài)鏈接庫。
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-static ：指定生成靜態(tài)鏈接庫。
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-fPIC ：表示編譯為位置獨立的代碼，用于編譯共享庫。目標文件需要創(chuàng)建成位置無關(guān)碼， 念上就是在可執(zhí)行程序裝載它們的時候，它們可以放在可執(zhí)行程序的內(nèi)存里的任何地方。
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-L. ：表示要連接的庫所在的目錄。
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-l：指定鏈接時需要的動態(tài)庫。編譯器查找動態(tài)連接庫時有隱含的命名規(guī)則，即在給出的名字前面加上lib，后面加上.a/.so來確定庫的名稱。
-
-Wall ：生成所有警告信息。
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-ggdb ：此選項將盡可能的生成gdb 的可以使用的調(diào)試信息。
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-g ：編譯器在編譯的時候產(chǎn)生調(diào)試信息。
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-c ：只激活預處理、編譯和匯編,也就是把程序做成目標文件(.o文件) 。
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-Wl,options ：把參數(shù)(options)傳遞給鏈接器ld 。如果options 中間有逗號,就將options分成多個選項,然后傳遞給鏈接程序。
nm命令
有時候可能需要查看一個庫中到底有哪些函數(shù)，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。nm列出的符號有很多，常見的有三種：
-
一種是在庫中被調(diào)用，但并沒有在庫中定義(表明需要其他庫支持)，用U表示；
-
一種是庫中定義的函數(shù)，用T表示，這是最常見的；
-
一種是所謂的弱態(tài)”符號，它們雖然在庫中被定義，但是可能被其他庫中的同名符號覆蓋，用W表示。
$nm libhello.h
ldd命令
ldd命令可以查看一個可執(zhí)行程序依賴的共享庫，例如我們編寫的四則運算動態(tài)庫依賴下面這些庫：
總結(jié)
二者的不同點在于代碼被載入的時刻不同。
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靜態(tài)庫在程序編譯時會被連接到目標代碼中，程序運行時將不再需要該靜態(tài)庫，因此體積較大。
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動態(tài)庫在程序編譯時并不會被連接到目標代碼中，而是在程序運行是才被載入，因此在程序運行時還需要動態(tài)庫存在，因此代碼體積較小。
動態(tài)庫的好處是，不同的應用程序如果調(diào)用相同的庫，那么在內(nèi)存里只需要有一份該共享庫的實例。帶來好處的同時，也會有問題！如經(jīng)典的DLL Hell問題，關(guān)于如何規(guī)避動態(tài)庫管理問題，可以自行查找相關(guān)資料。
