动静态库 —— 静态库

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1. 扩展概要（了解）

一个文件被打开操作系统要做什么：打开文件的流程 = 找 inode ➜ 创建 file 结构 ➜ 建立缓冲 ➜ 用页表映射读写 ➜ 后续 read/write 就操作 page 缓冲。

1. 为什么说“4KB Page”是核心单位？

现代操作系统使用 分页机制（Paging） 管理内存，每一页（Page）是 一块固定大小的内存单元。Linux 默认：

• 一页大小为 4KB。
• 物理内存也以页框为单位分配（如 Frame #0，Frame #1…）。
• 所有虚拟内存地址映射到物理内存页框时，以 4KB 为基本单位。

所以：所有读写、分配、预加载、换页，都是以“页”为单位处理的！

2. 局部性原理？为什么和 4KB 页有关？

局部性原理包括：

1. 时间局部性（Temporal Locality）：刚访问的数据，可能马上还会用。
2. 空间局部性（Spatial Locality）：访问了地址 A，可能马上会访问 A 附近的数据。

为什么用 4KB？

• 如果你访问了一个变量 a，操作系统会把 整个 4KB 页 都读进内存（或者缓存）；
• 这个 4KB 的空间里，很可能包含你接下来会访问的变量 b, c, d；
• 这样可以极大提升性能：只需要一次 IO，就加载一大片“可能用到的数据”。

磁盘文件（假设 8KB）：[04KB] [48KB] （2 个块）

• 内核发现 [0~4KB] 不在页缓存中。触发磁盘读取，加载整个 [0~4KB] 块到内存（即使只访问 1 字节）。存入页缓存，供后续快速访问。（访问第 1 字节 ➜ 内核页缓存判断没有 ➜ 从磁盘读 [0~4KB] ➜ 存入页缓存）
• 继续访问第 3KB 字节 ➜ 命中页缓存 ➜ 直接返回（[0~4KB] 已在页缓存中，直接返回数据（无需磁盘 IO）。）
• 访问第 5KB 字节 ➜ 没有命中 ➜ 再从磁盘读 [4~8KB]（[4~8KB] 不在页缓存中，再次触发磁盘读取，加载整个 [4~8KB] 块到内存。）

3. 文件打开后是否每次都从磁盘读取？

不是！Linux 有一个机制叫做：页缓存（Page Cache）。把文件内容按“页”读取后，缓存到内存中。

• 文件第一次打开时，会将所需部分 加载到内存页缓存（struct page）中。
• 之后对文件的 read、write 操作，都直接在内存中进行，不再频繁访问磁盘。

4. 每个打开的文件都会分配什么？

所以：每个打开的文件，不管在哪个进程中，都有自己的“打开实例”，但共享 inode 和缓存页。

5. Linux 如何管理所有内存？

Linux 会维护一个大的 mem_map[] 数组，里面是所有 物理内存页的描述结构 struct page。

• 每当程序申请内存，都会通过虚拟地址查找页表，映射到 mem_map[i] 对应的页框。
• mem_map[i] 就表示第 i 个物理页框的属性（是否空闲、是否缓存文件、是否在使用等）。

6. 操作系统能看到物理地址吗？

操作系统自己可以看见物理地址，但应用程序不行。

• 每个进程只能访问自己的 虚拟地址空间；
• 操作系统通过 页表机制 管理虚拟地址 → 物理地址的映射；

所以现代操作系统的内存与文件缓存管理，都是基于“4KB 页”为单位，结合“局部性原理”和“分页机制”来提高性能和效率。

2. 动静态库

1. 库的制作者 如何制作静态库？

步骤如下：

• ① 编写 .c 实现和 .h 头文件：对外接口声明和函数的实现。

• ② 使用 gcc -c 编译为目标文件（.o）：gcc -c MyStaticLibrary.c -o MyStaticLibrary.o。

• ③ 使用 ar 命令打包创建静态库 .a：ar -rc My_static_library.a My_static_library.o。

• ④ 组织输出目录（可选）：

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mkdir -p lib/include lib/My_static_library_lib
cp *.h lib/include/
cp *.a lib/My_static_library_lib/

2. 静态库 demo

1. My_static_library.h （头文件）—— 对外接口声明

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#pragma once                    // 防止头文件被重复包含
#include <stdio.h>             // 引入标准库（虽然这个例子中不一定需要）

extern int myerrno;            // 声明一个全局变量，用于错误码（比如除0错误）

// 函数声明：提供加、减、乘、除功能
int add(int x, int y);         // 加法
int sub(int x, int y);         // 减法
int mul(int x, int y);         // 乘法
int div(int x, int y);         // 除法（除数为0时返回-1，并设置myerrno=1）

2. My_static_library.c（源文件）—— 函数定义 + 错误处理

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#include "My_static_library.h"

int myerrno = 0;               // 定义全局错误码变量

int add(int x, int y)
{
    return x + y;
}

int sub(int x, int y)
{
    return x - y;
}

int mul(int x, int y)
{
    return x * y;
}

int div(int x, int y)
{
    if (y == 0)                // 检查除数是否为0
    {
        myerrno = 1;           // 设置错误码
        return -1;             // 返回错误标识
    }
    return x / y;
}

3. Makefile 文件 —— 构建静态库的自动化脚本

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# 目标静态库名称
lib = My_static_library.a

# 构建静态库目标：由目标文件构建 .a 文件
$(lib): My_static_library.o
	ar -rc $@ $^

# 生成 .o 目标文件
My_static_library.o: My_static_library.c
	gcc -c $^

# 清理构建产物
.PHONY: clean
clean:
	rm -rf *.o *.a lib

# 输出头文件和库文件到标准目录
.PHONY: output
output:
    mkdir -p lib/include                        # 创建头文件目录
	mkdir -p lib/My_static_library_lib          # 创建库文件目录
	cp *.h lib/include                          # 复制头文件
	cp *.a lib/My_static_library_lib  	        # 复制静态库文件

3. 库的使用者 如何使用静态库？

1. 假设目录结构如下：

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├── lib
│   ├── include
│   │   └── My_static_library.h
│   └── My_static_library_lib
│       └── My_static_library.a
├── makefile
├── My_static_library.a
├── My_static_library.c
├── My_static_library.h
├── My_static_library.o
└── test_main.c

2. test_main.c 示例：

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#include <stdio.h>
#include "My_static_library.h"  // 包含头文件

int main()
{
    printf("add(3, 4) = %d\n", add(3, 4));
    printf("div(10, 0) = %d\n", div(10, 0));

    if (myerrno == 1)
    {
        printf("Error: Divide by zero\n");
    }

    return 0;
}

编译命令说明：

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gcc -o test test_main.c -I.lib/include -L./lib/My_static_library_lib -l:My_static_library.a

小技巧（调试辅助）：

• 查看 .a 文件里的内容：

  1	ar -t My_static_library.a

• 若静态库升级，记得重新编译目标文件和链接。

3. 总结：制作者 & 使用者视角速查表