Data-Structure/DynamicLinkLibrary

好的，我们来系统讲一讲 动态链接库（DLL/Shared Object） 的概念、原理、基本设计原则，以及在 C/C++ 中的写法。为了全面，我会从概念到实战一步步展开。

---

一、什么是动态链接库（DLL/Shared Object）

1. 定义

   • DLL (Dynamic Link Library)：Windows 系统下的动态链接库，文件后缀 .dll
   • SO (Shared Object)：Linux/Unix 系统下的动态库，文件后缀 .so
   • 本质：是一段可执行代码（函数、类、资源）打包成的库，可以在程序运行时被加载，而不是编译时静态链接。

2. 与静态库的区别

   特性	静态库 (.lib / .a)	动态库 (.dll / .so)
   链接时间	编译时	运行时
   可执行文件大小	大（包含库）	小（库外部）
   更新	需要重新编译	只需替换库文件
   共享内存	不共享	可在多个进程共享

3. 工作原理

   • 编译阶段：编译器使用 .h 文件声明函数或类接口，不包含实现。

   • 链接阶段：在 Windows 上生成 .lib 导入库，在 Linux 上生成 .so 符号表。

   • 运行阶段：

     • 显式加载：程序运行时通过 LoadLibrary（Windows）或 dlopen（Linux）加载。
     • 隐式加载：程序启动时自动加载 DLL/so。

---

二、基本设计原则

写动态库时，需要考虑以下设计原则：

1. 接口与实现分离

   • 提供 .h 头文件定义函数/类接口
   • 实现放在 .c/.cpp 文件中
   • 用户只依赖头文件和库文件

2. 避免全局状态

   • 动态库可能被多个程序或线程使用
   • 避免使用全局变量，或使用线程安全机制

3. 符号导出/隐藏控制

   • 只导出需要被外部调用的函数或类
   • Windows：__declspec(dllexport) / __declspec(dllimport)
   • Linux：__attribute__((visibility("default")))

4. 版本管理

   • 避免破坏兼容性
   • 增加新功能时尽量不要修改已有接口

5. 异常处理

   • C++ 动态库不要抛跨 DLL 的异常
   • C 接口更安全（extern "C"）

---

三、C/C++ 动态库写法

1. Windows DLL 示例（C）

my_lib.h

#ifndef MY_LIB_H
#define MY_LIB_H

#ifdef MY_LIB_BUILD_DLL
#define MY_API __declspec(dllexport)
#else
#define MY_API __declspec(dllimport)
#endif

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif

MY_API int add(int a, int b);
MY_API void hello();

#ifdef __cplusplus
}
#endif

#endif

my_lib.c

#include "my_lib.h"
#include <stdio.h>

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

void hello() {
    printf("Hello from DLL!\n");
}

编译命令（GCC/MinGW）

gcc -DMY_LIB_BUILD_DLL -shared my_lib.c -o my_lib.dll -Wl,--out-implib,libmy_lib.a

使用 DLL 的 main.c

#include "my_lib.h"
#include <stdio.h>

int main() {
    printf("%d\n", add(2, 3));
    hello();
    return 0;
}

---

2. Linux SO 示例（C）

my_lib.c 与 Windows 基本相同，只是编译方式不同：

gcc -fPIC -shared my_lib.c -o libmy_lib.so

使用 SO

#include "my_lib.h"
#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>

int main() {
    void* handle = dlopen("./libmy_lib.so", RTLD_LAZY);
    if (!handle) {
        fprintf(stderr, "Cannot open library: %s\n", dlerror());
        return 1;
    }

    // 加载函数
    int (*add)(int, int) = dlsym(handle, "add");
    void (*hello)() = dlsym(handle, "hello");

    printf("%d\n", add(2, 3));
    hello();

    dlclose(handle);
    return 0;
}

---

3. C++ 类 DLL

my_class.h

#ifndef MY_CLASS_H
#define MY_CLASS_H

#ifdef MY_LIB_BUILD_DLL
#define MY_API __declspec(dllexport)
#else
#define MY_API __declspec(dllimport)
#endif

class MY_API MyClass {
public:
    MyClass();
    void greet();
};

#endif

my_class.cpp

#include "my_class.h"
#include <iostream>

MyClass::MyClass() {}
void MyClass::greet() {
    std::cout << "Hello from C++ DLL" << std::endl;
}

注意：C++ DLL 导出类要小心跨模块内存分配和异常。

---

四、常用技巧与注意事项

1. 显式 vs 隐式链接

   • 显式：运行时加载 LoadLibrary/dlopen，灵活，便于插件化
   • 隐式：编译时依赖 .lib 或 .so，启动自动加载

2. 导出 C 接口，兼容 C++

   extern "C" MY_API int add(int a, int b);
   

   • 避免 C++ 名字修饰（Name Mangling）导致外部无法调用

3. 线程安全

   • 避免 DLL 内部静态或全局对象在多线程环境下出错
   • 可以使用局部静态或线程局部存储

4. 资源管理

   • DLL 占用系统资源，注意释放句柄 dlclose / FreeLibrary

---

✅ 总结：

• DLL/SO 是运行时可加载的库，接口/实现分离，可减少可执行文件体积并支持更新。

• 设计原则：接口分离、导出控制、避免全局状态、版本管理、异常处理。

• 写法：

  • Windows：__declspec(dllexport/dllimport) + .dll + 可选 .lib 导入库
  • Linux：-fPIC -shared + .so + dlopen/dlsym/dlclose

• C++：要注意名字修饰、异常、内存分配问题，必要时导出 C 接口。

---

如果你愿意，我可以给你画一个 DLL/so 使用流程图 + C/C++ 示例结构图，直观展示头文件、实现文件、库文件、调用端之间的关系，非常适合新手理解。

你希望我画吗？ 没错！你理解得很对，.h 文件在这里就是 接口文件（Interface）：

• 它 声明了函数、类或者变量，但不包含真正的实现。
• 用户只需要包含这个 .h 文件就能调用库里的功能，而不需要关心实现细节。
• .c/.cpp 文件才是真正的 实现文件（Implementation），负责具体逻辑。

可以把它类比成 “功能说明书”：告诉你这个库能干什么、怎么调用，但具体怎么干是在背后隐藏的。

如果你愿意，我可以顺便给你画个小图，把 .h、.c/.cpp、DLL/so、调用端之间的关系可视化，一眼就懂。你想要吗？

完全正确 ✅

你理解得没错：头文件只“告诉编译器函数长啥样”，不负责引入其它库的依赖。

详细拆一下：

---

1️⃣ 你的 my_str.h 现在

MY_STR_API double evaluate(const char* exp);

• 只声明了 evaluate()
• 没有 #include <stdio.h>
• 也没有 #include <stdlib.h> 等

也就是说，头文件本身没有引入 printf、malloc 等依赖

---

2️⃣ main.c 如果要用 printf

#include "my_str.h"

int main() {
    printf("%f\n", evaluate("1+2*3"));
    return 0;
}

• 编译器此时看到 printf 的时候 不知道它的类型
• 会报错或者警告：implicit declaration of printf

所以你必须：

#include <stdio.h>
#include "my_str.h"

---

3️⃣ 原因

• my_str.h 只负责提供 DLL 接口
• 不负责用户程序可能会用的其它东西
• 这是 模块化的设计原则
• 否则你头文件里每一个函数都要 #include <stdio.h>，用户不想用 printf 也被迫引入，非常不优雅

---

4️⃣ 小结经验法则

1. 头文件只放自己模块的接口和必要类型定义
2. 用户程序用什么库函数，就自己 include
3. DLL 内部用什么库函数，放在 DLL cpp/c 文件里 include

换句话说，头文件不会也不应该“偷带”用户的依赖” 这和 C++ 的 class 设计很像：class 内部用什么 STL，外部不用关心

---

你如果愿意，我可以画一张 DLL / 头文件 / 用户 main.c 的依赖关系图，让你一眼就明白谁负责什么。

你想让我画吗？