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3 Motivation für Bibliotheken

In den vorherigen Absätzen wurden schon etliche Gründe genannt, warum Bibliotheken sinnvoll sind. Man kann Funktionen so bereitstellen, dass andere Anwendungen oder Komponenten diese verwenden. Änderungen oder Erweiterungen müssen nur an einer zentralen Stelle (in der Bibliothek) vorgenommen werden. Die Wahrscheinlichkeit von Programmfehlern ist geringer, da man durch die häufige Verwendung derselben Funktionen Fehler schneller finden kann. Das Entwickeln von Anwendungen ist einfacher und schneller, wenn man auf komfortable Schnittstellen von Bibliotheksfunktionen zurückgreifen kann. In der Praxis geht man noch einen Schritt weiter: Es gibt Bibliotheken mit identischen Schnittstellen für verschiedenste Systeme. Beispielsweise unterscheiden sich die Kernel von Unix- und Windows-Systemen erheblich, jedoch sind die gleichen C-Bibliotheksfunktionen vorhanden. Das C-Programm, das nur C-Bibliotheksfunktionen verwendet, kann auf Windows und Linux übersetzen werden, ohne dass man es anpassen muss, selbst wenn indirekt unterschiedliche Kernelfunktionen von der C-Bibliothek verwendet werden. Man benötigt eben nur eine passende Bibliothek.

Die Verwendung von Bibliotheken kann weitere Vorteile haben. So spart man beispielsweise Speicherplatz, wenn man die Funktionen nur einmal hat, anstatt in jeder Programmdatei. Auch bei Aktualisierungen wie zum Beispiel Sicherheitslücken ist das Hilfreich: Man aktualisiert die betroffene Bibliothek, und alle Programme, die diese verwenden, verwenden automatisch die neue, sicherere Funktion.


4 Arten von Bibliotheken

Es gibt sehr viele Arten von Bibliotheken. Diese lassen sich unter verschiedenen Gesichtspunkten einteilen. Man kann sie nach Funktionsart einteilen. So gibt es zum Beispiel Bibliotheken für grafische und mathematische Funktionen. Man kann sie auch nach der Programmiersprache einteilen. Bisher bezogen sich alle Beispiele auf Systembibliotheken, die aus C heraus sehr bequem, aber auch aus anderen Sprachen heraus aufgerufen werden können. Es gibt aber auch Sprachbibliotheken, die nur für bestimmte Sprachen zur Verfügung stehen. So gibt es beispielsweise sehr viele Bibliotheken für Perl oder Java, die man aus anderen Sprachen heraus kaum verwenden kann.

Dieser Artikel beschäftigt sich mit Systembibliotheken. Auch diese kann man in verschiedene Klassen einteilen, ein Beispiel gab es bereits. Eine weitere Einteilung ist etwas schwieriger zu verstehen: Man unterscheidet Bibliotheken danach, wann sie zu einem Programm hinzugebunden werden. Hier gibt es drei Zeitpunktklassen: direkt nach der Programmübersetzung, bei jedem Programmstart oder zu einem beliebigen Zeitpunkt während der Programmlaufzeit (also den Zeitpunkten, an denen das Programm läuft). Analog unterscheidet man drei Bindungsarten, die im folgenden kurz genannt werden. Die Namen dieser Bindungsarten mögen etwas verwirrend erscheinen, hiervon sollte man sich nicht beeindrucken lassen.


4.1 Statische Bindung

Die erste Möglichkeit wurde bisher etwas unterschlagen: Das Binden von Programmen und Bibliotheken zur Entwicklungszeit. In diesem Fall wird das Programm und die Bibliothek fest verbunden. Anschließend wird die Bibliotheksdatei nicht mehr für das Programm benötigt, da die verwendeten Funktionen in die Datei kopiert werden. Man spricht hier vom statischen Linken (engl. to link: verbinden).

Programme, die statisch mit Bibliotheken verbunden sind, nutzen einige der oben genannten Vorteile nicht. So sind sie zum Beispiel größer, und die Bibliotheken können vom Anwender nicht so ohne weiteres aktualisiert werden. Deshalb verwendet man dieses Verfahren meist nur für sehr spezielle Programmbibliotheken, die nur von diesem Programm verwendet werden oder die man aus verschiedenen anderen Gründen fest mit dem Programm verbinden möchte.

Diese Bibliotheken sind technisch gesehen einfache Archive, die viele Objekt-Dateien enthalten können. So ein Archiv ist in etwa mit einem tar oder jar Archiv vergleichbar (aber üblicherweise unkomprimiert). Die Bezeichnung Archiv sollte hier aber nicht verwendet werden. Sie ist irreführend, da man heutzutage sofort an allgemeine Archive wie tar oder Zip-Archive denkt.


4.2 Gemeinsame Nutzung

Eleganter ist die Möglichkeit, Programme bei deren Start mit der passenden Bibliothek zu verbinden. Dies nennt man dynamisches Binden. Dies ist ein komplizierterer Vorgang. Beim Start führt ein besonderes Programm die Verbindung unmittelbar vor dem eigentlichen Programmstart aus. Dazu muss die Bibliothek geladen werden, Einsprungadressen geprüft und weitere Aktionen durchgeführt werden. Dieses Vorgehen ermöglicht es, dass mehrere verschiedene Anwendungen eine Bibliothek gemeinsam nutzen. Die Bibliotheken, die so verwendet werden, nennt man gemeinsam nutzbare Bibliotheken (eng: shared libraries). Auch wenn es sich technisch gesehen um dynamisch verbundene Bibliotheken handelt, und sie auch manchmal DLLs (dynamically linked libraries) genannt werden, nennt man sie üblicherweise nicht dynamische Bibliothek, da dieser Begriff für das folgende Vorgehen reserviert ist.


4.3 Dynamische Bindung

Richtig dynamisch wird es, wenn ein Programm erst zur Laufzeit Bibliotheken lädt und verwendet. Dies ermöglicht eine sehr hohe Flexibilität. Zum Beispiel kann ein Programm unter Umständen teilweise funktionieren, wenn nicht alle benötigten Bibliotheken installiert sind, oder es kann Bibliotheken erst dann laden, wenn sie tatsächlich benötigt werden. Hier spricht man von dynamischen Bibliotheken, oder von dynamisch ladbaren Bibliotheken (eng: dynamically loaded libraries)

Unter Linux (und anderen Systemen) sind die shared libraries bzw. dynamically linked libraries und dynamically loaded libraries die gleichen Dateien und sich sehr ähnlich. Nur die Art der Verwendung unterscheidet sich.

Daher kommt vermutlich auch die unklare Namensabgrenzung: Meint man mit "Bibliotheken" bestimmte Dateien für eine dieser beiden Bindungsarten, so sind das eben dynamische Bibliotheken.

Interessant ist hier ein weiteres Detail. Da jedes Programm, welches dynamisch Bibliotheken laden möchte, sehr ähnliche Funktionen verwenden muss, gibt es auch hierfür eine Bibliothek: eine Bibliothek zum Laden von Bibliotheken. Diese heißt libdl (engl. dl: dynamic loading). Diese Bibliothek wird dynamisch gelinkt und ermöglicht komfortables dynamisches Laden (diese Bibliothek dynamisch zu laden, macht verständlicherweise kaum Sinn).


4.4 Beispiele

Die bereits erwähnte C-Systembibliothek, die kurz als libc oder C-Lib bezeichnet wird, ist fast immer eine dynamische Bibliothek, die dynamisch gelinkt (und nicht geladen!) wird. In der Praxis werden die meisten C-Bibliotheken dynamisch gelinkt, und nur in sehr wenigen, speziellen Fällen macht man vom dynamischen Laden Gebrauch.

Die Bibliotheken, die Zugriff auf X-Window-System-Funktionen gestatten (X-Lib genannt), fallen ebenso in diese Kategorie wie die Mathematikbibliothek math, die Funktionen wie Sinus und Cosinus bereitstellt.



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