在“纸上谈兵: 算法与数据结构”中，我在每一篇都会有一个C程序，用于实现算法和数据结构 (比如栈和相关的操作)。在同一个程序中，还有用于测试的main()函数，结构体定义，函数原型，typedef等等。
这样的做法非常不“环保”。算法的实际运用和算法的实现混在一起。如果我想要重复使用之前的源程序，必须进行许多改动，并且重新编译。最好的解决方案是实现模块化: 只保留纯粹的算法实现，分离头文件，并编译一个库(library)。每次需要使用库的时候(比如使用栈数据结构)，就在程序中include头文件，连接库。这样，不需要每次都改动源程序。
我在这里介绍如何在UNIX环境中创建共享库 (shared library)。UNIX下，共享库以so为后缀(shared object)。共享库与Windows下的DLL类似，是在程序运行时动态连接。多个进程可以连接同一个共享库。
本文使用Ubuntu测试，使用gcc作为编译器。
程序清理
下面程序来自纸上谈兵: 栈 (stack)，是栈数据结构的C实现:
/* By Vamei */
/* use single-linked list to implement stack */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct node *position;
typedef int ElementTP;
// point to the head node of the list
typedef struct node *STACK;
struct node {
ElementTP element;
position next;
};
STACK init_stack(void);
void delete_stack(STACK);
ElementTP top(STACK);
void push(STACK, ElementTP);
ElementTP pop(STACK);
int is_null(STACK);
void main(void)
{
ElementTP a;
int i;
STACK sk;
sk = init_stack();
push(sk, 1);
push(sk, 2);
push(sk, 8);
printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));
for (i=0; i<3; i++) {
a = pop(sk);
printf("pop: %d\n", a);
}
printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));
delete_stack(sk);
}
/*
* initiate the stack
* malloc the head node.
* Head node doesn't store valid data
* head->next is the top node
*/
STACK init_stack(void)
{
position np;
STACK sk;
np = (position) malloc(sizeof(struct node));
np->next = NULL; // sk->next is the top node
sk = np;
return sk;
}
/* pop out all elements
* and then delete head node
*/
void delete_stack(STACK sk)
{
while(!is_null(sk)) {
pop(sk);
}
free(sk);
}
/*
* View the top frame
*/
ElementTP top(STACK sk)
{
return (sk->next->element);
}
/*
* push a value into the stack
*/
void push(STACK sk, ElementTP value)
{
position np, oldTop;
oldTop = sk->next;
np = (position) malloc(sizeof(struct node));
np->element = value;
np->next = sk->next;
sk->next = np;
}
/*
* pop out the top value
*/
ElementTP pop(STACK sk)
{
ElementTP element;
position top, newTop;
if (is_null(sk)) {
printf("pop() on an empty stack");
exit(1);
}
else {
top = sk->next;
element = top->element;
newTop = top->next;
sk->next = newTop;
free(top);
return element;
}
}
/* check whether a stack is empty*/
int is_null(STACK sk)
{
return (sk->next == NULL);
}上面的main()部分是用于测试，不属于功能模块，在创建库的时候应该去掉。
程序中的一些声明，会被重复利用。比如:
typedef struct node *position;
typedef int ElementTP;
// point to the head node of the list
typedef struct node *STACK;
struct node {
ElementTP element;
position next;
};
STACK init_stack(void);
void delete_stack(STACK);
ElementTP top(STACK);
void push(STACK, ElementTP);
ElementTP pop(STACK);
int is_null(STACK);这一段程序声明了一些结构体和指针，以及栈操作的函数原型。当我们其他程序中调用库时 (比如创建一个栈，或者执行pop操作)，同样需要写这些声明。我们把这些在实际调用中需要的声明保存到一个头文件mystack.h。在实际调用的程序中，可以简单的include该头文件，避免了每次都写这些声明语句的麻烦。
经过清理后的C程序为mystack.c:
/* use single-linked list to implement stack */
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include "mystack.h"
/*
* initiate the stack
* malloc the head node.
* Head node doesn't store valid data
* head->next is the top node
*/
STACK init_stack(void)
{
position np;
STACK sk;
np = (position) malloc(sizeof(struct node));
np->next = NULL; // sk->next is the top node
sk = np;
return sk;
}
/* pop out all elements
* and then delete head node
*/
void delete_stack(STACK sk)
{
while(!is_null(sk)) {
pop(sk);
}
free(sk);
}
/*
* View the top frame
*/
ElementTP top(STACK sk)
{
return (sk->next->element);
}
/*
* push a value into the stack
*/
void push(STACK sk, ElementTP value)
{
position np, oldTop;
oldTop = sk->next;
np = (position) malloc(sizeof(struct node));
np->element = value;
np->next = sk->next;
sk->next = np;
}
/*
* pop out the top value
*/
ElementTP pop(STACK sk)
{
ElementTP element;
position top, newTop;
if (is_null(sk)) {
printf("pop() on an empty stack");
exit(1);
}
else {
top = sk->next;
element = top->element;
newTop = top->next;
sk->next = newTop;
free(top);
return element;
}
}
/* check whether a stack is empty*/
int is_null(STACK sk)
{
return (sk->next == NULL);
}#include "..."; 语句将首先在工作目录寻找相应文件。如果使用gcc时，增加-I选项，将在-I提供的路径中寻找。
制作.so文件
我们的目标是制作共享库，即.so文件。
首先，编译stack.c:
$gcc -c -fPIC -o mystack.o mystack.c
-c表示只编译(compile)，而不连接。-o选项用于说明输出(output)文件名。gcc将生成一个目标(object)文件mystack.o。
注意-fPIC选项。PIC指Position Independent Code。共享库要求有此选项，以便实现动态连接(dynamic linking)。
生成共享库:
$gcc -shared -o libmystack.so mystack.o
库文件以lib开始。共享库文件以.so为后缀。-shared表示生成一个共享库。
这样，共享库就完成了。.so文件和.h文件都位于当前工作路径(.)。
使用共享库
我们编写一个test.c，来实际调用共享库:
#include <stdio.h>
#include "mystack.h"
/*
* call functions in mystack library
*/
void main(void)
{
ElementTP a;
int i;
STACK sk;
sk = init_stack();
push(sk, 1);
push(sk, 2);
push(sk, 8);
printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));
for (i=0; i<3; i++) {
a = pop(sk);
printf("pop: %d\n", a);
}
printf("Stack is null? %d\n", is_null(sk));
delete_stack(sk);
}注意，我们在程序的一开始include了mystack.h。
编译上述程序。编译器需要知道.h文件位置。
对于#include "..."，编译器会在当前路径搜索.h文件。你也可以使用-I选项提供额外的搜索路径，比如-I/home/vamei/test。
对于#include <...>，编译器会在默认include搜索路径中寻找。
编译器还需要知道我们用了哪个库文件，在gcc中:
使用-l选项说明库文件的名字。这里，我们将使用-lmystack (即libmystack库文件)。
使用-L选项说明库文件所在的路径。这里，我们使用-L. (即.路径)。
如果没有提供-L选项，gcc将在默认库文件搜索路径中寻找。
你可以使用下面的命令，来获知自己电脑上的include默认搜索路径:
$`gcc -print-prog-name=cc1` -v
获知库默认搜索路径:
$gcc -print-search-dirs
我们所需的.h和.so文件都在当前路径，因此，使用如下命令编译:
$gcc -o test test.c -lmystack -L.
将生成test可执行文件。
使用
$./test
执行程序
运行程序
尽管我们成功编译了test可执行文件，但很有可能不能执行。一个可能是权限问题。我们需要有执行该文件的权限，见Linux文件管理背景知识
另一个情况是:
./test: error while loading shared libraries: libmystack.so: cannot open shared object file: No such file or directory
这是因为操作系统无法找到库。libmystack.so位于当前路径，位于库文件的默认路径之外。尽管我们在编译时(compile time)提供了.so文件的位置，但这个信息并没有写入test可执行文件(runtime)。可以使用下面命令测试:
$ldd test
ldd用于显示可执行文件所依赖的库。显示:
linux-vdso.so.1 => (0x00007fff31dff000) libmystack.so => not found libc.so.6 => /lib/x86_64-linux-gnu/libc.so.6 (0x00007fca30de7000) /lib64/ld-linux-x86-64.so.2 (0x00007fca311cb000)
这说明test可执行文件无法找到它所需的libmystack.so库文件。
为了解决上面的问题，我们可以将.so文件放入默认搜索路径中。但有时，特别是多用户环境下，我们不享有在默认搜索路径写入的权限。
一个解决方案是设置LD_LIBRARY_PATH环境变量。比如:
$export LD_LIBRARY_PATH=.
这样，可执行文件执行时，操作系统将在先在LD_LIBRARY_PATH下搜索库文件，再到默认路径中搜索。环境变量的坏处是，它会影响所有的可执行程序。如果我们在编译其他程序时，如果我们不小心，很可能导致其他可执行文件无法运行。因此，LD_LIBRARY_PATH环境变量多用于测试。
另一个解决方案，即提供-rpath选项，将搜索路径信息写入test文件(rpath代表runtime path)。这样就不需要设置环境变量。这样做的坏处是，如果库文件移动位置，我们需要重新编译test。使用如下命令编译test.c:
$gcc -g -o test test.c -lmystack -L. -Wl,-rpath=.
-Wl表示，-rpath选项是传递给连接器(linker)。
test顺利执行的结果为:
Stack is null? 0 pop: 8 pop: 2 pop: 1 Stack is null? 1
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