Construção de bibliotecas

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Bibliotecas são amplamente utilizadas na linguagem C. Além da biblioteca padrão (LibC) e das bibliotecas disponibilizadas pelo sistema operacional, o programador pode desenvolver suas próprias bibliotecas, para usar em seus projetos ou disponibilizá-las a terceiros.

As bibliotecas podem ser construídas para ligação estática ou dinâmica (DLL) com o código executável que as utiliza. Este texto explica as duas técnicas em ambiente Linux.

Vamos usar como exemplo uma biblioteca simples chamada Hello, que oferece funções para escrever na tela mensagens de “olá” em diversas linguagens. O código-fonte dessa biblioteca é composto pelos arquivos abaixo.

O arquivo de cabeçalho define a interface da biblioteca Hello:

hello.h

#ifndef __HELLO__
#define __HELLO__
 
void hello_pt () ;
void hello_en () ;
void hello_fr () ;
 
#endif

Os demais arquivos definem a implementação dessas funções:

hello_pt.c

#include <stdio.h>
#include "hello.h"
 
void hello_pt ()
{
  printf ("Ola, mundo!\n") ;
}

hello_en.c

#include <stdio.h>
#include "hello.h"
 
void hello_en ()
{
  printf ("Hello, world!\n") ;
}

hello_fr.c

#include <stdio.h>
#include "hello.h"
 
void hello_fr ()
{
  printf ("Salut, le monde !\n") ;
}

Um programa que utilize a biblioteca Hello pode ser escrito desta forma:

main.c

#include "hello.h"
 
int main ()
{
  hello_pt () ;
  hello_en () ;
  hello_fr () ;
 
  return 0 ;
}

Bibliotecas estáticas são ligadas ao programa durante o processo de compilação, resultando em um executável maior, mas menos dependentes das bibliotecas instaladas no sistema. Para construir uma biblioteca de ligação estática são necessários vários passos, descritos a seguir.

1) Inicialmente, todos os arquivos-fonte que irão compor a biblioteca devem ser compilados, para gerar seus arquivos-objeto correspondentes:

$ gcc -Wall -c hello_pt.c
$ gcc -Wall -c hello_en.c
$ gcc -Wall -c hello_fr.c

2) A seguir, deve ser usado o utilitário ar (archiver) para juntar todos os arquivos-objeto em uma biblioteca estática chamada libhello.a:

$ ar rvs libhello.a hello_pt.o hello_en.o hello_fr.o

Os flags rvs indicam:

• r (replace): substituir versões anteriores dos arquivos na biblioteca, caso existam
• v (verbose): mostrar na tela as inclusões que estão sendo realizadas
• s (symbols): criar uma tabela dos símbolos¹⁾ que estão sendo agregados à biblioteca

O utilitário ar possui diversos outros flags. Por exemplo, pode-se consultar o conteúdo de uma biblioteca estática:

$ ar t libhello.a
hello_en.o
hello_fr.o
hello_pt.o

Pode-se consultar todos os símbolos definidos em uma biblioteca estática (ou em qualquer arquivo objeto) através do utilitário nm:

$ nm libhello.a

hello-en.o:
0000000000000000 T hello_en
                 U puts

hello-fr.o:
0000000000000000 T hello_fr
                 U puts

hello-pt.o:
0000000000000000 T hello_pt
                 U puts

Para atualizar/incluir qualquer arquivo da biblioteca, basta executar ar novamente, indicando o(s) arquivo(s) a atualizar/incluir:

$ ar rvs libhello.a hello_it.o hello_es.o hello_jp.o

3) A forma mais simples de usar a biblioteca é indicá-la ao compilador no momento da compilação ou ligação:

$ gcc -Wall main.c -o main libhello.a

Uma opção abreviada de ligação pode ser utilizada. Nela, não é necessário indicar o nome completo da biblioteca:

$ gcc -Wall main.c -o main -L. -lhello

Esta abordagem é melhor que a anterior, pois neste caso o ligador somente irá incluir no executável final os objetos que forem efetivamente necessários.

Observe que a biblioteca foi informada ao ligador na opção -lhello. Por default, ao encontrar uma opção -labc, o ligador irá procurar pela biblioteca libabc.a nos diretórios default de bibliotecas (/lib, /usr/lib, /usr/local/lib, …) e depois disso nos diretórios informados pela opção -L.

Bibliotecas dinâmicas (DLLs) são ligadas ao programa durante a carga do executável na memória, resultando em um executável menores, mas que dependem das bibliotecas necessárias estarem instaladas no sistema operacional.

A construção de uma biblioteca de ligação dinâmica é um pouco mais complexa:

1) Primeiro, é necessário compilar os arquivos-fonte que irão compor a biblioteca usando a opção -fPIC, que irá gerar código binário independente de posição (PIC - Position Independent Code)²⁾:

$ gcc -Wall -fPIC -c hello_pt.c
$ gcc -Wall -fPIC -c hello_en.c
$ gcc -Wall -fPIC -c hello_fr.c

2) A seguir, pode-se criar a biblioteca dinâmica, a partir dos arquivos-objeto:

$ gcc -Wall -g -shared -Wl,-soname,libhello.so.0 -o libhello.so.0.0 hello_pt.o hello_en.o hello_fr.o

Observe que a opção -Wl transfere a opção -soname=libhello.so.0 ao ligador. Essa opção permite definir o nome e versão da biblioteca.

3) Finalmente, para instalar a biblioteca, deve-se movê-la para o diretório adequado (geralmente /usr/lib ou /usr/local/lib)³⁾ e gerar os atalhos necessários para indicar os números de versão (0) e revisão (0):

# mv libhello.so.0.0 /usr/local/lib
# cd /usr/local/lib
# ln -s libhello.so.0.0 libhello.so.0
# ln -s libhello.so.0 libhello.so

$ ls -l
lrwxrwxrwx  1  prof      12   Out 2 18:20  libhello.so -> libhello.so.0
lrwxrwxrwx  1  prof      14   Out 2 18:06  libhello.so.0 -> libhello.so.0.0
-rwxr-xr-x  1  prof    6914   Out 2 18:06  libhello.so.0.0

4) A compilação usando a biblioteca ocorre da mesma forma que no caso estático:

$ gcc -Wall main.c -o main -L. -lhello

Ao carregar o executável, o sistema operacional irá localizar as bibliotecas dinâmicas necessárias, carregá-las e mapeá-las na área de memória do novo processo:

$ ./main

Caso a biblioteca esteja em um diretório não listado em /etc/ld.so.conf (arquivo de configuração do carregador e ligador dinâmico), ocorrerá um erro. Nesse caso, deve-se incluir o diretório nesse arquivo e a seguir executar ldconfig, ou informar o carregador dinâmico do SO através da variável de ambiente LD_LIBRARY_PATH:

$ export LD_LIBRARY_PATH=.
$ ./main