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Programmbibliothek

Eine Programmbibliothek (kurz Bibliothek; englisch library, kurz lib) bezeichnet in der Programmierung eine Sammlung von Unterprogrammen/-Routinen, die Lösungswege für thematisch zusammengehörende Problemstellungen anbieten. Bibliotheken sind im Unterschied zu Programmen keine eigenständig lauffähigen Einheiten, sondern sie enthalten Hilfsmodule, die von Programmen angefordert werden.

In erweitertem Sinn gelten als Programmbibliotheken (zum Teil auch „Komponentenbibliothek“ oder „Klassenbibliothek“ genannt) alle Arten von Bibliotheken, die Programmcode(-bestandteile) bereitstellen/enthalten. Insofern unterscheidet man Programmbibliotheken u. a. nach dem Typ des Programmcodes, z. B. Quelltexte, Makros, Object- oder Bytecode, Maschinencode usw. Dementsprechend werden Bibliotheken zu unterschiedlichen Zeitpunkten benutzt, manche nur im Rahmen der Softwareentwicklung (von Werkzeugen der Entwicklungsumgebung), andere nur zur Ausführung von Programmen, wieder andere als Mischform von beiden. Solche Bibliotheken enthalten häufig nicht nur Unterprogramme, sondern Programmcodeteile aller Programm-Typen.

Eine besondere Form von Programmbibliotheken sind Frameworks.

Inhaltsverzeichnis

Zugriff


Mögliche Zugriffe auf Funktionen einer Programmbibliothek sind durch die Programmierschnittstelle (API) definiert. Dabei handelt es sich um die Gesamtheit der öffentlich verfügbaren Funktionen und Klassen; in Abgrenzung zu den privaten Einheiten der Bibliothek, die nicht zugänglich sind.

Manche proprietären Programmbibliotheken werden nicht im Quelltext veröffentlicht, da sie Firmengeheimnisse darstellen. Zum Schutz gegen Dekompilieren werden dann oft ein Obfuscator eingesetzt sowie alle Symbole (Variablen- und Sprungadressnamen) entfernt.

Speicherungsformen


Programmbibliotheken und ihre Inhalte können, abhängig vom Betriebssystem und der Entwicklungsumgebung, in unterschiedlichen Formen und Strukturen gespeichert werden, zum Beispiel:

Beispiele: Eine sogenannte 'DLL' bei Microsoft oder eine PO-Datei bei IBM-Großrechnern als Bibliothek für Quelltexte, Objektmodule oder ausführbare Lademodule.
a verwaltet vom üblichen Dateiverwaltungssystem des Betriebssystems

Statische Bibliotheken


„Statische Bibliothek“ wird eine Programmbibliothek genannt, die Module/Unterprogramme enthält, die durch einen so genannten Linker (von englisch „to link“: verknüpfen) mit dem Kompilat eines anderen Programms verbunden werden. Dabei erzeugt der Linker, in der Regel für ein Hauptprogramm, eine ausführbare Datei oder (je nach Betriebssystem) ein Lademodul in einer Ladebibliothek, in der die von diesem aufgerufenen Module fest (statisch) eingebunden/angehängt sind.

Ein optimierender Linker sucht aus den zugeordneten Objekt-Modulen (Bibliotheksdateien) nur jene Komponenten (Unterprogramme oder Daten) heraus, die vom Programm auch tatsächlich aufgerufen (referenziert) werden (und für die es im Programm keine überschreibende Implementierung gibt) und hängt sie dann an das Programm an. Die so entstehende Datei wird entsprechend größer. Einfache Linker fügen einfach das komplette Objekt-Modul bzw. die komplette Bibliothek hinzu und vergrößern das Programm dadurch noch mehr.

Eine statische Bibliothek ist im Allgemeinen selbst Ergebnis aus Quelltexten, aufgeteilt in mehrere Module, deren Kompilate (Objektmodule) dann vom Linker zu der Bibliothek zusammengefügt wurden.

Dynamische Bibliotheken


Aus dynamischen Bibliotheken werden Komponenten erst während der Laufzeit eines Programms über einen sogenannten Lader in den Arbeitsspeicher geladen. Das geschieht entweder durch eine explizite Anweisung durch das Programm oder implizit durch einen so genannten Laufzeit-Lader, wenn das Programm dynamisch gebunden wurde. Heutzutage geschieht dies meist mit Betriebssystem-Unterstützung, da (siehe unten) dynamische Bibliotheken gesondert behandelt werden bzgl. Swapping und Einblendung in den Programm-Adressraum. Der Lader ist somit heute meist zu weiten Teilen eine Betriebssystem-Komponente.

Dynamisch gebundene Programme müssen sich um das Laden der benötigten dynamischen Komponenten nicht selbst kümmern. Beim dynamischen Binden werden Bibliothek und Kompilat nur lose verknüpft. Statt die notwendigen Symbole (Variablen- und Sprungadressnamen) zu kopieren, wie beim statischen Binden der Fall, werden sie nur referenziert. Um das Laden der dynamischen Bibliotheken und Suchen der Symbole kümmert sich ein sogenannter Laufzeit-Binder. Das Auflösen der referenzierten Symbole geschieht entweder sofort (noch vor Start des eigentlichen Programms bzw. beim Laden aus der Bibliothek) oder faul, bei der ersten Verwendung des Symbols.

Ein typischer Anwendungsfall dafür, Bibliotheken explizit zu öffnen (die Adresse von Symbolen nach deren Namen zu suchen, um das Symbol zu verwenden), sind Plug-in-Architekturen. Ein weiteres Szenario ist eine optionale Bibliothek, die verwendet wird, falls vorhanden, deren Fehlen aber keinen Fehler darstellt.

Ein Vorteil von dynamischen Bibliotheken ist, dass Programme, die eine dynamische Bibliothek verwenden, von Fehlerbehebungen in der Bibliothek profitieren, ohne neu übersetzt werden zu müssen. Wird beispielsweise ein Fehler in der OpenSSL-Bibliothek gefunden und behoben (die entsprechende Bibliothek wurde ersetzt), so genügt ein Neustart der Programme, die diese Bibliothek verwenden, um den Fehler auch in diesen Programmen zu beheben.

Da die Dateien, in denen dynamische Bibliotheken gespeichert werden, bei der Benutzung nur gelesen und ausgeführt, aber nicht verändert werden, müssen Betriebssysteme mit virtuellem Speicher dynamische Bibliotheken nur einmal laden und können sie dann in den Adressraum aller verwendenden Prozesse einblenden. Dies ist beispielsweise bei Multitasking-Systemen vorteilhaft, wenn die Bibliotheken insgesamt sehr groß sind und von vielen Prozessen gleichzeitig verwendet werden. (Sollte die dynamischen Bibliothek Zustände oder gespeicherte Daten besitzen, kann dies mit Copy-On-Write abgefangen werden.)

Viele moderne Betriebssysteme laden die dynamischen Bibliotheken jedoch nicht sofort, sondern blenden sie bei Bedarf direkt von der Festplatte aus ein – sie werden wie ausgelagerte Pages behandelt. Analog werden nicht benötigte Pages, die zu einer dynamischen Bibliothek gehören und nicht verändert wurden, einfach verworfen. Bei Bedarf können sie ja aus der Festplatte wieder geladen werden.

Beispiele


Programmbibliotheken stellen Komponenten in bestimmten Zusammenhängen bereit, zu denen sie bezüglich ihrer Konstruktion und ihrer Schnittstellen passen (müssen). Dementsprechend gibt es Programmbibliotheken zum Beispiel in folgenden Zusammenhängen:

Bibliotheken in verschiedenen Programmiersprachen


Bibliotheken in Programmiersprachen enthalten Dienste, die nicht im Compiler implementiert sind, sondern in der Sprache selbst programmiert sind und mit dem Compiler zusammen oder völlig von ihm getrennt dem Programmierer zur Verfügung stehen. Im ersten Fall ist die Bibliothek meist in der Sprachbeschreibung festgelegt. Im zweiten Fall spricht man von einer externen Bibliothek.

In der Sprachbeschreibung festgelegte Bibliotheken unterscheiden sich teilweise stark im Umfang.

Sprache Teile/Pakete Header/Klassen Funktionen/Methoden/Konstruktoren
C (C89+Amendments) 1 18 142
C (C99) 1 24 482
C++ 1 32 + 18 (C89)
Java 2 (JDK 1.2) 62 1.287 ≈ 18.000
Java 6 202 3.850 21.881
.Net 1.0 41 3.581 35.470
.Net 1.1 43 3.818 37.556
.Net 2.0 51 7.419 74.607
.Net 3.0 80 10.639 102.613
.Net 3.5 98 11.417 109.657

Bibliotheken bei verschiedenen Betriebssystemen


Windows

Bei den Betriebssystemen Windows und OS/2 wird eine Bibliotheksdatei, die dynamisch bindet, als DLL (für Dynamic Link Library) bezeichnet. Entsprechend haben diese Dateien meist die Dateiendung .dll. Ihr Dateiformat ist New Executable (16 Bit), Linear Executable (32-Bit-OS/2) oder Portable Executable (32- bzw. 64-Bit-Windows).

Unter Windows wird zwischen mehreren Arten von DLLs unterschieden:

Einsprungs-DLLs enthalten hierbei Funktionen, während ActiveX-DLLs Klassen enthalten.

DLLs bis Windows 98 und Windows NT 4.0 können nicht kontrolliert werden – jedes Programm darf sie austauschen und kann dem Betriebssystem damit möglicherweise Schaden zufügen. Windows Me, Windows 2000 und die Folgeversionen verfügen über einen Systemschutz, der auch die DLLs einbezieht.

Vorteile

Nachteile

Unixartige Systeme

Auf unixartigen Betriebssystemen (wie z. B. Linux) verwenden statische Bibliotheken den Dateisuffix .a (von „Archiv“) und können mit den UNIX-Programmen ar und nm angesehen und bearbeitet werden. Bei Systemen, die eine Paketverwaltung anbieten, befinden sich statische Bibliotheken oft zusammen mit den Header-Dateien in einem separaten Entwicklungs-Paket.

Für dynamische Bibliotheken ist die Bezeichnung shared library (englisch für „gemeinsam genutzte Bibliothek“) gebräuchlich. Sehr verbreitet ist das Executable and Linking Format (ELF), das Standard-Format unter anderem von Linux, FreeBSD und Solaris. Für diese Dateien hat sich die Endung .so (von shared object, „gemeinsam genutztes Objekt“) etabliert. In der Regel folgt dem Bibliotheksnamen noch die Versionsnummer der Binärschnittstelle (ABI version), so dass mehrere Versionen einer Bibliothek gleichzeitig installiert sein können.

Shared libraries beginnen auf Linux (mit Ausnahme einiger Low-Level-Bibliotheken) üblicherweise mit dem Präfixlib“. Die eigentliche Bibliotheksdatei enthält die volle Versionsnummer. Symbolische Verknüpfungen ermöglichen den Zugriff über den so-Namen, sowie den Zugriff ganz ohne Versionsangabe. Beispiel:

Der so-Name ist in dem Fall „libfoo.so.1“. Die Zahl nach „.so.“ ändert sich nur dann, wenn sich in einer neuen Version die Schnittstelle der Bibliothek ändert.

Der Laufzeit-Linker wählt anhand von Versions-Informationen im auszuführenden Programm bzw. in der zu ladenden Bibliothek eine Version mit einer kompatiblen Schnittstelle aus. Da sowohl Programme von Bibliotheken abhängen können, als auch Bibliotheken von weiteren Bibliotheken, kann eine Software indirekt von vielen Bibliotheken abhängen. Da viele Unixoide Systeme die Bibliotheken zentral für Betriebssystem und Applikation zusammen verwalten, existieren Paketverwaltungen, die Abhängigkeiten berechnen und benötigte Bibliotheken automatisch installieren können. Beispiele für derartige Paketverwaltungs-Systeme sind APT und YUM.

Von welchen Bibliotheken ein Programm direkt abhängt, lässt sich auf einigen Systemen mit Hilfe des UNIX-Programms ldd herausfinden.

Bei Software, die in der Binärversion vertrieben werden soll, beispielsweise kommerzielle Closed-Source-Software oder portable/distributionunabhängige Software, muss gewährleistet werden, dass alle benötigten Bibliotheken vorliegen. Das Anwendersystem, auf dem diese Software verwendet werden soll, muss dann als kompatible Binärplattform agieren können. Dies kann folgendermaßen geschehen:

Objekt- und komponentenorientierte Ansätze können hier realisiert werden, indem in einer Funktion das entsprechende Objekt oder die Komponente instantiiert und zurückgegeben werden.

Vorteile

Nachteile

Java

Java ist eine eigene Plattform und verwendet ein Bibliothekskonzept, welches nicht an das Betriebssystem gebunden ist. Im Grunde wird nicht zwischen Programm und Bibliothek unterschieden. Alle Klassen liegen kompiliert in Form von .class-Dateien vor und werden bei Bedarf geladen. In der Regel sind Bibliotheken, wenn sie aus mehreren Klassen bestehen, in einem Java-Archiv zusammengefasst. Die Java-API selbst liegt ebenfalls in Form von Java-Archiven vor.

Da die einzelnen Klassen einer Bibliothek erst zur Laufzeit geladen werden, kann es bei der ersten Verwendung zu Verzögerungen kommen, bis die Klasse geladen und initialisiert wurde. In Java für Echtzeitsysteme, aber auch in Java SE kann der Klassenlader durch entsprechende Methodenaufrufe bestimmte oder alle notwendigen Bibliotheken beim Starten laden und sie auch nicht mehr entladen, so dass bei der Benutzung keine unerwartete Verzögerung entsteht.

Bibliotheken unter z/OS

Bei z/OS wie auch in den Vorgängersystemen System/360 und System/390 werden/wurden Programmbibliotheken (wie alle Arten von Bibliotheken) in der Form von Partitioned Data Sets (PDS) geführt. Je Programmcode-Typ (siehe unten) werden i. d. R. eigene Bibliotheken benutzt und deren Elemente typneutral als Member bezeichnet. Die Members werden von verschiedenen Systemprogrammen der Entwicklungsumgebung dort eingestellt und von dort verwendet.

Je Programmcode-Typ wird – je nach Bedarf – eine (1) Bibliothek für ein ganzes Unternehmen, je Unternehmensbereich oder für bestimmte Anwendungsgebiete verwendet. Die Unterscheidung der Einträge erfolgt über den Membernamen. Es werden zum Beispiel folgende Arten von Programmbibliotheken benutzt:

Die Einträge in Quelltextbibliotheken werden üblicherweise mithilfe von Texteditoren erzeugt und geändert sowie von Compilern/Assemblern als Input benutzt, um kompilierten Programmcode zu erzeugen.
Zur Ausführung werden evtl. unterschiedliche Bibliotheken über die STEPLIB- oder die JOBLIB- oder die LINKLIST-Angabe zugeordnet und die einzelnen Module daraus vom Betriebssystem geladen.

Bibliotheken unter Amiga OS

Beim AmigaOS werden alle Bibliotheken als shared Library verwendet. Sie werden also zur Laufzeit vom Programm beim System angefordert, das dann die Basisadresse der Bibliothek im Speicher (bis OS3.9) oder die entsprechende Schnittstelle (ab OS4.0) zur Verfügung stellt. Das Programm verwendet dann relative Adressen, um über eine Sprungtabelle vor der Basisadresse an die eigentlichen Funktionen (hinter der Basisadresse) zu kommen. Diese Funktionen sind eintrittsinvariant (reentrant).

Selbst bei Änderungen der Bibliothek sind die bestehenden Einträge der Sprungtabellen immer gleich. Es kommen ggf. lediglich neue Einträge hinzu am Ende der Tabellen. Somit ist eine Abwärtskompatibilität gegeben.

Als Besonderheit kann bei AmigaOS beim Öffnen einer Library eine Mindest-Versionsnummer angegeben und so sichergestellt werden, dass eine gewünschte Funktionalität auch wirklich verfügbar ist. Wird diese Version nicht vorgefunden, kann das aufrufende Programm sicher auf eine einfachere Funktionalität, wie sie in der älteren Library-Version bereitgestellt wird, zurückschalten.

Bibliotheksdateien tragen die Endung .library und befinden sich meist im Verzeichnis LIBS: der Systempartition. Das Betriebssystem überprüft bei der Suche nach einer Bibliothek auch das Programmverzeichnis des anfragenden Programms.

Weblinks


WiktionaryWiktionary: Programmbibliothek – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Einzelnachweise


  1. a b Rick Anderson: The End of DLL Hell . microsoft.com. 11. Januar 2000. Archiviert vom Original am 5. Juni 2001. Abgerufen am 15. Januar 2012: „Private DLLs are DLLs that are installed with a specific application and used only by that application.
  2. Arnaud Desitter: Using static and shared libraries across platforms; Row 9: Library Path (englisch) ArnaudRecipes. 20. Juli 2011. Archiviert vom Original am 20. Juli 2011. Abgerufen am 26. Januar 2012: „win32 runtime library path:. and then PATH
  3. Eric Brown: LSB 4.0 certifications aim to heal Linux fragmentation (englisch) linuxfordevices.com. 8. Dezember 2010. Archiviert vom Original am 24. Dezember 2013. i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. Abgerufen am 16. November 2011: „[…] LSB helps to reduce fragmentation, it does not eliminate it. „The issue of packaging and broader dependencies is still a big one (for me) at least,“ writes Kerner. „The same RPM that I get for Fedora won’t work on Ubuntu, and Ubuntu DEB packages won’t work on SUSE etc etc.“[…]
  4. Eskild Hustvedt: Playing well with distros (englisch) Linux Game Publishing. 24. November 2009. Archiviert vom Original am 21. September 2011. Abgerufen am 15. Januar 2012.
  5. a b Eskild Hustvedt: Our new way to meet the LGPL (englisch) 8. Februar 2009. Archiviert vom Original am 13. April 2014. Abgerufen am 9. März 2011: „You can use a special keyword $ORIGIN to say ‘relative to the actual location of the executable’. Suddenly we found we could use -rpath $ORIGIN/lib and it worked. The game was loading the correct libraries, and so was stable and portable, but was also now completely in the spirit of the LGPL as well as the letter!
  6. Evan Jones: Portable Linux Binaries (englisch) 13. Februar 2008. Abgerufen am 10. Januar 2012: „Linux is not well known for its binary portability. Libraries vary from system to system, and the kernel interfaces have a tendency to change. […] Recently, I needed to build a binary on one system, and run it on another. It only used standard C library functions, so I expected it to be easy. It was not. […]
  7. Christoph Baus: Yet another Unix nightmare: statically linking libstdc++ (englisch) 31. Mai 2005. Archiviert vom Original am 10. Februar 2010. Abgerufen am 15. Januar 2012.
  8. a b Ulrich Drepper: Static Linking Considered Harmful (englisch) redhat.com. Archiviert vom Original am 27. Mai 2010. Abgerufen am 13. Januar 2012: „There are still too many people out there who think (or even insist) that static linking has benefits. This has never been the case and never will be the case. […]
  9. Mike Hearn: Random Collection of Current Linux Problems Binary Portability (englisch) Autopackage.org. 2006. Archiviert vom Original am 18. Mai 2009. Abgerufen am 23. Januar 2012: „This page was prepared for the OSDL meeting in December 2005. It describes many of the problems inherent to Linux we’ve encountered whilst distributing complex software in binary form to end users. It also offers a few suggestions for improvements.
  10. Troy Hepfner: Linux Game Development Part 2 – Distributable Binaries (englisch) gamedev.net. 1. Oktober 2007. Archiviert vom Original am 13. Oktober 2007. Abgerufen am 19. Dezember 2011: „Creating an executable that works on almost all Linux distributions is a challenge. There are a number of factors that contribute to the problem […]
  11. Simon Peter: AppImageKit Documentation 1.0 (englisch, PDF; 38 kB) PortableLinuxApps.org. S. 2–3. 2010. Archiviert vom Original am 29. November 2010. i Info: Der Archivlink wurde automatisch eingesetzt und noch nicht geprüft. Bitte prüfe Original- und Archivlink gemäß Anleitung und entferne dann diesen Hinweis. Abgerufen am 29. Juli 2011: „Not easy to move an app from one machine to another



Kategorien: Programmbibliothek


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