Библиотеки Си
Вы, наверное, уже задались вопросом, что означает первая строка программы на Cи:
#include <stdio.h>
Какова её роль и можно ли обойтись без неё? Строка #include делает очень важную вещь: она подключает библиотеки уже написанного кода к вашей программе.
Имя подключенной библиотеки идет в угловых скобках (<>) и носит расширение (.h) . Если бы не было библиотек, то любое, самое элементарное действие, пришлось бы каждый раз описывать снова и снова. Подключенная нами библиотека содержит функции ввода/вывода. Именно она позволяет нам использовать функцию printf() для вывода на экран. То есть, если бы мы не написали строку #include <stdio.h> , но оставили в теле программы функцию printf (), при попытке запуска мы бы получили ошибку! Потому что без этой библиотеки компилятор не знает, что такое printf() .
Есть библиотеки стандартные, они составляют словарный запас языка. Функция printf() не встроена в компьютер, но входит в стандартную библиотеку языка Cи. То есть, некий программист ранее написал её и включил в библиотеку. Теперь другие могут ею пользоваться, не изобретая велосипед. Чтобы компилятор её «понял», подключаем <stdio.h> .
Есть и другие стандартные библиотеки, используемые в процессе прохождения CS50. Например, библиотека строк string.h, где описаны операции со строками (определение длины, сложение и прочее).
По сравнению с другими популярными языками программирования, количество стандартных библиотек Cи очень невелико. Но есть самописные, чаще всего — более узкоспециализированные библиотеки. Так, библиотека cs50.h была создана специально для студентов CS50.
Самое время сделать важное замечание: помимо написания программ, решения задач с помощью собственного кода, хороший разработчик обладает еще одним важным навыком: знанием инструментов, уже написанных и умением использовать их (чужие библиотеки), чтобы не тратить время на изобретение «колеса».
Так, если вы находитесь в процессе решения нудной или сложной задачи, которая при этом кажется довольно распространенной, привыкайте задавать себе вопрос: «а не написал ли её решение кто-нибудь другой?» Велики шансы, что так оно и есть, и вы можете найти эту функцию в существующей библиотеке.
В технических терминах, библиотека — это двоичный файл, полученный путем объединения в коллекцию объектных файлов, используя компоновщик. Объектные файлы — это те файлы с расширением (*.o) , которые вы получаете при компиляции приложений.
Стандартная библиотека языка Си
В прошлых уроках мы изучили много различных стандартных функций. Большинство из них становились доступны, когда мы подключали в программу определенный заголовочные файлы, наприимер stdio.h , math.h или string.h . Они входят в состав стандартной библиотеки языка Си. Кроме них есть другие заголовочные файлы, которые включены в стандартную библиотеку языка Си, например, из используемых нами ранее stdlib.h и time.h .
Стандартная библиотека языка Си – это набор отдельных файлов, которые расширяют возможности языка Си. Например, как мы уже отмечали ранее, добавление к нашей программе файла math.h позволяет использовать различные математические функции. Добавление stdio.h позволяет взаимодействовать программе с внешним миром (читать/выводить данные).
Схематично можно представить себе язык программирования Си как набор отдельных законченных модулей. Условно эта структура изображена на следующем рисунке.
Рис.1 Архитектура языка Си.
По факту язык Си самостоятельно, без функций стандартной библиотеки, почти ничего не может. Даже вывести значение переменной на экран. Но благодаря дополнительным модулям (стандартным заголовочным файлам) возможности языка могут быть существенно расширены. А если какие-то возможности не нужны, то они не будут включены в итоговую версию программы.
Модульный подход получил широкое распространение в программировании. Основные плюсы:
- модули между собой независимы и каждый из них может разрабатываться/меняться отдельно от других модулей и всей программы в целом;
- возможность самостоятельно подключать необходимые модули;
- возможность расширения функционала за счёт добавления/написания нового модуля.
Модули могут быть реализованы, например, в виде отдельных заголовочных файлов или отдельных файлов с кодом. Каждый модуль должен решать какие-то свои задачи. Модуль можно представить себе как «чёрный ящик». У него есть две основных части: интерфейс взаимодействия с модулем (сколько и каких данных поступает в чёрный ящик и какие данные им возвращаются) и внутренняя реализация модуля (содержимое чёрного ящика).
Если рассматривать отедельную функцию языка Си как модуль, то интерфейсом является заголовок или прототип функции. Он полностью описывает, что необходимо функции для работы: какого типа данные нужны, в каком порядке их надо передавать, в каком количестве и т.д., а также какие данные функция возвращает. Тело функции при этом является реализацией модуля.
Кстати, что касается стандартной библиотеки языка Си. Если вы ещё не пробовали искать у себя на компьютере заголовочные файлы, то попробуйте. Внутри них только прототипы функций, а самой реализации нет. Т.е. по факту в заголовочных файлах содержится только интерфейс модуля или по-другому API (Application Programming Interface, чит. эй-пи-ай, иногда по-русски произносят апи), а сами реализации от программиста скрыты и находятся уже в отдельных, скомпилированных библиотечных файлах.
Использование API – тоже широко распространённая практика. Многие сервисы предоставляют свой открытый API . Например, платформа Stepic, которую я использую для автоматической проверки задач, или сайт Вконтакте. Т.е. по сути данные сайты выкладывают в открытый доступ (vk, Stepic) описание различных функций, которые я могу использовать в своих программах. Именно на использовании API строится разработка различных сервисов и приложений для работы с различными платформами.
Сохрани в закладки или поддержи проект.
Библиотеки в Си. Сборка программы со статической и динамической библиотеками
Библиотеки позволяют использовать созданный ранее программный код в различных программах. Таким образом, программист может не разрабатывать часть кода для своей программы, а воспользоваться тем, что входит в состав библиотек.
В языке программирования C код библиотек представляет собой функции, размещенные в файлах, которые скомпилированы в объектные файлы, а те, в свою очередь, объединены в библиотеки. В одной библиотеке объединяются функции, решающие определенный тип задач. Например, существует библиотека математических функций.
У каждой библиотеки должен быть свой заголовочный файл, в котором должны быть описаны прототипы (объявления) всех функций, содержащихся в этой библиотеке. С помощью заголовочных файлов вы «сообщаете» вашему программному коду, какие библиотечные функции есть и как их использовать.
При компиляции программы библиотеки подключаются линковщиком, который вызывается gcc . Если программе требуются только стандартные библиотеки, то дополнительных параметров линковщику передавать не надо (есть исключения). Он «знает», где стандартные библиотеки находятся, и подключит их автоматически. Во всех остальных случаях при компиляции программы требуется указать имя библиотеки и ее местоположение.
Библиотеки бывают двух видов — статические и динамические. Код первых при компиляции полностью входит в состав исполняемого файла, что делает программу легко переносимой. Код динамических библиотек не входит в исполняемый файл, последний содержит лишь ссылку на библиотеку. Если динамическая библиотека будет удалена или перемещена в другое место, то программа работать не будет. С другой стороны, использование динамических библиотек позволяет сократить размер исполняемого файла. Также если в памяти находится две программы, использующие одну и туже динамическую библиотеку, то последняя будет загружена в память лишь единожды.
Далее будет описан пример, в котором создается библиотека, после чего используется при создании программы.
Пример создания библиотеки
Допустим, мы хотим создать код, который в дальнейшем планируем использовать в нескольких проектах. Следовательно, нам требуется создать библиотеку. Ее исходный код разместим в двух файлах.
Также у нас будет проект, использующая эту библиотеку. Он тоже будет включать два файла.
В итоге, когда все будет сделано, схема каталогов и файлов будет выглядеть так:
Пусть каталоги library и project находятся в одном общем каталоге, например, домашнем каталоге пользователя. Каталог library содержит каталог source с файлами исходных кодов библиотеки. Также в library будут находиться заголовочный файл (содержащий описания функций библиотеки), статическая ( libmy1.a ) и динамическая ( libmy2.so ) библиотеки. Каталог project будет содержать файлы исходных кодов проекта и заголовочный файл с описанием функций проекта. Также после компиляции с подключением библиотеки здесь будет располагаться исполняемый файл проекта.
В операционных системах GNU/Linux имена файлов библиотек должны иметь префикс «lib», статические библиотеки — расширение *.a , динамические — *.so .
Для компиляции проекта достаточно иметь только одну библиотеку: статическую или динамическую. В образовательных целях мы получим обе и сначала скомпилируем проект со статической библиотекой, потом — с динамической. Статическая и динамическая «разновидности» одной библиотеки по-идее должны называться одинаково (различаются только расширения). Поскольку у нас обе библиотеки будут находиться в одном каталоге, то чтобы быть уверенными, что при компиляции проекта мы используем ту, которую хотим, их названия различны ( libmy1 и libmy2 ).
Исходный код библиотеки
#include void rect(char sign, int w, int h) putchar('\n'); } for (i = 0; i w; i++) putchar(sign); putchar('\n'); } void diagonals(char sign, int w) putchar('\n'); } }
В файле figure.c содержатся две функции — rect и diagonals . Первая принимает в качестве аргументов символ и два числа и «рисует» на экране с помощью указанного символа прямоугольник заданной ширины и высоты. Вторая функция выводит на экране две диагонали квадрата («рисует» крестик).
#include void text(char *ch) { while (*ch++ != '\0') putchar('*'); putchar('\n'); }
В файле text.c определена единственная функция, принимающая указатель на символ строки. Функция выводит на экране звездочки в количестве, соответствующем длине указанной строки.
void rect(char sign, int width, int height); void diagonals(char sign, int width); void text(char *ch);
Заголовочный файл можно создать в каталоге source , но мы лучше сохраним его там, где будут библиотеки. В данном случае это на уровень выше (каталог library ). Тем самым как бы подчеркивается, что файлы исходных кодов после создания из них библиотеки вообще не нужны пользователям библиотек, они нужны лишь разработчику библиотеки. А вот заголовочный файл библиотеки требуется для ее правильного использования.
Создание статической библиотеки
Статическую библиотеку создать проще, поэтому начнем с нее. Она создается из обычных объектных файлов путем их архивации с помощью утилиты ar .
Все действия, которые описаны ниже выполняются в каталоге library (т.е. туда надо перейти командой cd ). Просмотр содержимого каталога выполняется с помощью команды ls или ls -l .
Получаем объектные файлы:
gcc -c ./source/*.c
В итоге в каталоге library должно наблюдаться следующее:
figures.o mylib.h source text.o
Далее используем утилиту ar для создания статической библиотеки:
ar r libmy1.a *.o
Параметр r позволяет вставить файлы в архив, если архива нет, то он создается. Далее указывается имя архива, после чего перечисляются файлы, из которых архив создается.
Объектные файлы нам не нужны, поэтому их можно удалить:
rm *.o
В итоге содержимое каталога library должно выглядеть так:
libmy1.a mylib.h source
, где libmy1.a — это статическая библиотека.
Создание динамической библиотеки
Объектные файлы для динамической библиотеки компилируются особым образом. Они должны содержать так называемый позиционно-независимый код (position independent code). Наличие такого кода позволяет библиотеке подключаться к программе, когда последняя загружается в память. Это связано с тем, что библиотека и программа не являются единой программой, а значит как угодно могут располагаться в памяти относительно друг друга. Компиляция объектных файлов для динамической библиотеки должна выполняться с опцией -fPIC компилятора gcc :
gcc -c -fPIC source/*.c
В отличие от статической библиотеки динамическую создают при помощи gcc указав опцию -shared :
gcc -shared -o libmy2.so *.o
Использованные объектные файлы можно удалить:
rm *.o
В итоге содержимое каталога library :
libmy1.a libmy2.so mylib.h source
Использование библиотеки в программе
Исходный код программы
Теперь в каталоге project (который у нас находится на одном уровне файловой иерархии с library ) создадим файлы проекта, который будет использовать созданную библиотеку. Поскольку сама программа будет состоять не из одного файла, то придется здесь также создать заголовочный файл.
#include #include "../library/mylib.h" void data(void) { char strs[3][30]; char *prompts[3] = { "Ваше имя: ", "Местонахождение: ", "Пунк прибытия: "}; int i; for (i = 0; i 3; i++) { printf("%s", prompts[i]); fgets(strs[i], 30, stdin); } diagonals('~', 7); for (i = 0; i 3; i++) { printf("%s", prompts[i]); text(strs[i]); } }
Функция data запрашивает у пользователя данные, помещая их в массив strs . Далее вызывает библиотечную функцию diagonals() , которая выводит на экране «крестик». После этого на каждой итерации цикла вызывается библиотечная функция text() , которой передается очередной элемент массива; функция text выводит на экране звездочки в количестве равном длине переданной через указатель строки.
Обратите внимание на то, как подключается заголовочный файл библиотеки: через относительный адрес. Две точки обозначают переход в каталог на уровень выше, т. е. родительский по отношению к project , после чего путь продолжается в каталог library , вложенный в родительский. Можно было бы указать абсолютный путь, например, «/home/pl/c/les22/library/mylib.h». Однако при перемещении каталогов библиотеки и программы на другой компьютер или в другой каталог адрес был бы уже не верным. В случае с относительным адресом требуется лишь сохранять расположение каталогов project и library относительно друг друга.
#include #include "../library/mylib.h" #include "project.h" int main() { rect('-',75,4); data(); rect('+',75,3); }
Здесь два раза вызывается библиотечная функция rect() и один раз функция data() из другого файла проекта. Чтобы сообщить функции main прототип data также подключается заголовочный файл проекта.
Файл project.h содержит всего одну строчку:
void data(void);
Из обоих файлов проекта с исходным кодом надо получить объектные файлы для объединения их потом с файлом библиотеки. Сначала мы получим исполняемый файл, содержащий статическую библиотеку, потом — связанный с динамической библиотекой. Однако с какой бы библиотекой мы не компоновали объектные файлы проекта, компилируются они как для статической, так и динамической библиотеки одинаково:
gcc -c *.c
При этом не забудьте сделать каталог project текущим!
Компиляция проекта со статической библиотекой
Теперь в каталоге project есть два объектных файла: main.o и data.o . Их надо скомпилировать в исполняемый файл project , объединив со статической библиотекой libmy1.a . Делается это с помощью такой команды:
gcc -o project *.o -L../library -lmy1
Начало команды должно быть понятно: опция -o указывает на то, что компилируется исполняемый файл project из объектных файлов.
Помимо объектных файлов проекта в компиляции участвует и библиотека. Об этом свидетельствует вторая часть команды: -L../library -lmy1 . Здесь опция -L указывает на адрес каталога, где находится библиотека, он и следует сразу за ней. После опции -l записывается имя библиотеки, при этом префикс lib и суффикс (неважно .a или .so ) усекаются. Обратите внимание, что после данных опций пробел не ставится.
Опцию -L можно не указывать, если библиотека располагается в стандартных для данной системы каталогах для библиотек. Например, в GNU/Linux это /lib/ , /urs/lib/ и др.
Запустив исполняемый файл project и выполнив программу, мы увидим на экране примерно следующее:
Посмотрим размер файла project :
pl@desk:~/c/les22/project$ ls -l project -rwxrwxr-x 1 pl pl 16352 дек 19 02:02 project
Его размер равен 16352 байт.
Компиляция проекта с динамической библиотекой
Теперь удалим исполняемый файл и получим его уже связанным с динамической библиотекой. Команда компиляции с динамической библиотекой выглядит так (одна команда разбита на две строки с помощью обратного слэша и перехода на новую строку):
gcc -o project *.o \ > -L../library -lmy2 -Wl,-rpath. /library/
Здесь в отличии от команды компиляции со статической библиотеки добавлены опции для линковщика: -Wl,-rpath. /library/ . -Wl ‒ это обращение к линковщику, -rpath ‒ опция линковщика, ../library/ ‒ значение опции. Получается, что в команде мы два раза указываем местоположение библиотеки: один раз с опцией -L , а второй раз с опцией -rpath .
Следует заметить, что если вы скомпилируете программу, используя приведенную команду, то исполняемый файл будет запускаться из командной строки только в том случае, если текущий каталог project . Стоит сменить каталог, будет возникать ошибка из-за того, что динамическая библиотека не будет найдена. Но если скомпилировать программу так:
gcc -o project *.o -L../library -lmy2 \ > -Wl,-rpath,/home/pl/c/library
, т.е. указать для линковщика абсолютный адрес, то программа в данной системе будет запускаться из любого каталога.
Размер исполняемого файла проекта, связанного с динамической библиотекой, будет немного меньше. Если посмотреть на размеры библиотек:
pl@desk:~/c/les22/library$ ls -l libmy* -rw-rw-r-- 1 pl pl 3616 дек 19 00:16 libmy1.a -rwxrwxr-x 1 pl pl 15592 дек 19 00:33 libmy2.so
, то видно, что динамическая больше статической, хотя исполняемый файл проекта со статической библиотекой больше. Это доказывает, что в исполняемом файле, связанном с динамической библиотекой, присутствует лишь ссылка на нее.
Курс с решением задач:
pdf-версия
Есть ли каталог библиотек C?
Всем привет!
Я сейчас стал применять знания по СИ, активно пишу программу и у меня есть небольшая неясность, которую вы, надеюсь, поможете мне преодолеть. При написании консольного приложения я понял, что стандартных библиотек мне из Кернигана и Ритчи, ну никак не хватает. Я стал разбираться, что мне нужно и выяснил, что мне для написания требуется очень много сторонних библиотек, типа:
libcurl (CURl) http://curl.haxx.se/ regex.h