如何在 C 语言中创建静态库？

在 C 语言编程中，代码的可重用性、可维护性和组织性等问题起着至关重要的作用。在所有可能的解决方案中，静态库是实现这些目标最有效的工具之一。静态库是目标文件的集合，在编译阶段链接到你的程序中。它们使你能够封装可在整个程序中重用的例程，从而提高其灵活性。

在这篇博客文章中，我们将解释 C 语言中静态库的概念，以及如何创建和使用它们，并附上详细的步骤指南。

静态库概述

• 静态库，也称为存档文件，是一个由多个目标文件组成的聚合文件。这些目标文件主要以字节码的形式存在，可以链接到其他程序。
• 另一种类型的库是动态链接库，它在运行时链接，而静态链接库在编译时链接。这当然意味着，当你编译程序时，来自静态库的所需代码将被链接到你的实际可执行文件中。
• 因此，你最终的可执行文件会更大，但同时，它在执行时不会连接到其他库文件，这意味着你的程序除了这个可执行文件外，将不依赖于任何其他东西。

静态库的优点

静态库提供了几个好处，使其成为 C 程序员工具箱中的宝贵工具。

• 模块化
  当你希望代码更有组织性甚至更容易维护时，将代码分组到适当的模块中会容易得多。它们使人们能够编写、编译、测试和调试每个模块，而不必影响其他模块，从而产生易于管理的代码。
• 可重用性
  一旦你创建了一个静态库，该库就可以在不同的项目中重复使用。这使得程序员的工作变得更容易，因为现在开发者不必在每次开发新项目时都重复编写相同的代码块。相反，你可以轻松地将库合并到你的新程序中来解决这类问题。
• 性能
  与动态库相比，链接所需的时间更短，因为在静态库中，库的细节在编译阶段就已处理。此外，在动态链接时，通过符号表进行通信没有开销，这可能意味着你的程序性能会略有提高。
• 可移植性
  由于静态库中的代码在编译时被链接并成为可执行文件的一部分，你的程序更加独立。这使其具有可移植性，因为没有额外的库文件和文件夹需要与生成的可执行文件一起发布。
• 简化部署
  由于所有相关代码都打包到一个或几个可执行文件中，应用程序的部署问题似乎变得更容易实现。你不需要确保在目标系统上放置了正确版本的动态库。

前提条件

然而，在了解静态库的概念之前，你需要了解一些先决条件。如果你从 C 语言开始，那再好不过了，但首要条件是你应该具备 C 语言编程的基本知识。这包括编写函数、编译代码和头文件的知识。此外，还需要一个包含像 gcc 这样的 C 编译器的开发环境，以及一个纯文本编辑器甚至一个功能齐全的 IDE 来编写你的代码。熟悉终端或命令提示符也将是一个额外的优势，因为创建和使用静态库的大多数过程都是在终端上完成的。

创建源文件

要创建静态库，首先要做的是编写源文件代码，其中包含你希望封装的特定函数。这些源文件应该是逻辑的，换句话说，所有与某个问题相关的函数都应该统一在一个文件中。例如，如果你正在开发一个数学库，你可能会有加法和减法、三角函数和统计函数等必不可少的文件。

以下是一个简单数学库的源文件示例：

编译源文件

准备好源文件后的下一阶段是将源文件汇编成目标文件。此类别中捕获的目标文件存储的是不可执行的机器码；但是，它必须链接到一个可执行文件。在类 Unix 系统中，你可以使用 gcc 命令编译源文件，从而生成目标文件。

-c 标志指示 gcc 将源文件编译成目标文件，-o 标志表示要生成的目标文件的名称。运行这些命令后，你应该能在你的目录中找到 arithmetics.o 和 trigonometry.o 文件。

创建静态库

现在目标文件已经编译好了；你需要使用 ar（存档）命令来创建静态库。ar 命令将目标文件链接起来，生成一个单一的文件，也就是你的静态库。

在这里，libmymath.a 是静态库的名称，rcs 标志用于创建库、插入目标文件并写入其索引。命名约定 libmymath.a 符合类 Unix 系统中静态库的标准，以 lib 为前缀，以 .a 为后缀。

链接静态库

构建好静态库后，你可以将其链接到你的程序中。这要求你在源代码中声明指向库的路径并使用适当的头文件。

要使用静态库编译程序，你可以使用 gcc 命令并链接该库：

'-L' 标志告诉 gcc 它应该在当前目录中寻找库，而 '-lmymath' 指示它与 libmymath.a 链接。

头文件

头文件在静态库的使用中扮演着重要角色。它们包含源文件中给定函数的定义，并使其他源文件能够使用该函数。为静态库创建头文件，并将其包含在任何将要使用该库的源文件中，这一点至关重要。

运行程序

当你组装好程序的所有组件后，就可以执行该程序以获取结果。

输出

 
Sum: 7
Sine: 0.479426   

在 C 语言中创建和使用静态库的最佳实践

C 静态库对于 C 程序员来说是一个非常有用的补充，可以通过其构造来推进模块化、可重用性和可维护性。然而，为了充分实现上述好处，应遵循一些实践。以下是一些关键建议：

1. 逻辑地组织你的代码

• 模块化设计： 尽可能根据程序的逻辑划分来模块化你的代码。例如，在数学库中，区分代数函数和三角函数。这有助于其维护和扩展以满足客户的需求。
• 目录结构： 患者教育材料应该有一个组织良好的文件夹结构。建议将扩展名为 .c 的源文件和扩展名为 .h 的头文件分别保存在两个不同的文件夹中。因此，这种组织方式使人更容易承担和控制项目。

2. 使用头文件保护（Header Guards）

• 头文件保护： 始终在你的头文件中使用头文件保护，以避免多次包含。这是通过用预处理器指令包裹头文件的内容来完成的。

• 唯一的名称： 确保与头文件保护一起使用的宏名称不会相互冲突。

3. 提供清晰一致的接口

• 函数声明： 库接口中包含的所有函数都应在头文件中声明。这允许用户发现支持哪些函数，而无需参考源代码。
• 文档： 在头文件中不要忘记添加注释和文档。为每个函数包括其功能描述、它接受什么数据以及返回什么数据。这有助于用户轻松理解和使用你的库。

4. 保持兼容性

• 稳定的接口： 应该注意，一旦一个库发布，通常不应该对 API 进行不兼容的更改。如果需要更改，则增加库的版本号，并应附带一些说明/解释。
• 向后兼容性： 如果可能，请保持你的库与先前版本的兼容性，这意味着以前正在积极使用你的库的程序也应该能在新版本上运行。

5. 优化性能

• 高效的代码： 确保你的库中的函数编写得尽可能高效，资源利用率最低。用户依赖库进行关键操作，因此要保证你使用的实现是经过优化的。
• 内联函数： 对于小而频繁调用的函数，使用 inline 关键字。这可以减少一些函数调用的开销，从而更快。

6. 全面测试

• 单元测试： 确保为你库中开发的所有函数编写广泛的单元测试。这对于确保每个函数独立且高效地执行其任务是必要的。
• 集成测试： 在集成环境中检查不同子系统的库行为。检查库在嵌入到更复杂的应用程序中时是否正常工作。
• 自动化测试： 作为推荐的解决方案，进行更改以设置在自动驱动的测试环境中进行测试，以便在进行更改时运行测试。这有助于在问题发生时识别它们，并建立你的库的可靠性。

7. 版本控制

• 使用版本控制： 尽可能对你的库的源代码使用版本控制（例如 Git）。它使人们能够监控正在进行的更改，并与其他用户一起协作，以便能够生成不同版本的库。
• 语义化版本控制： 使用语义上有意义的数字来标识库中所做的更改，例如 1.x.x 来表示库中所做更改的重要性。这有助于用户了解升级到下一个更高版本的影响。

结论

总之，编译和链接 C 静态库是我们认为的另一项重要技能；该技能在代码的模块化、可重用性和可维护性方面增加了更多的推动力或理解。借助一组可以统一到一个库中的相关函数，开发过程得以加速，并且这些经常使用的重要函数可以集中在一个地方，并可以在不同的项目中使用。本指南介绍了编写源文件、将源文件编译成目标文件、使用 'ar' 命令将目标文件编译成静态库，以及将静态库链接到程序。我们还区分了如何最好地管理和使用头文件。通过掌握这些步骤，可以恢复更高效和可移植的软件。无论如何，对于小型项目和大型应用程序，使用静态库都被认为是设置代码的最佳解决方案。开始在你的操作中使用静态库，感受代码变得不再有不必要复杂性的不同。