2014年12月19日星期五

阮一峰的网络日志

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《如何变得有思想》出版了!

Posted: 19 Dec 2014 12:21 AM PST

本周,我的文集《如何变得有思想》图灵教育出版了,已经上架,欢迎大家选购。

它收录了这个博客的精华文章(非技术类的),一共91篇,时间跨度10年,从最早2004年1月的《等待戈多》,一直到2013年9月的《做学问的八个境界》。如果你对这个博客感兴趣,读这本书就够了。

关于书名,我解释一下。它不是《21天精通xxx》的意思,而是说里面包含了这十年来我有过的想法。它反映了一个青年在这个剧烈变化的时代,内心的惶惑和不安,不甘随波逐流,苦苦寻求答案和出路的思想历程。

与半年前的电子版相比,这个印刷版经过了全新编排(感谢图灵教育和朱巍编辑),文字修订,主题更集中和连贯,可读性更高,而且收入了我大学时代的诗集,因此是一个全新的、也是更好的版本。

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下面,说一点题外话。

这本书涵盖了我的过去十年。十年前,我是学生;十年后,先是老师,后来又变成专业的互联网开发者,真是恍然如梦。这个blog从只谈文学,变成了只谈技术。时代的变迁,就这样投射在我的人生上。

记得交稿的那一天,有点失落。这本300多页的书,为我前面的人生画上了句号,以后不会再这样写文章了。出版了这本书,我的人生就进入后半段了。还有其他的梦想等待实现,是时候另起一行了。

附上一张今年8月的照片,那是我第一次见到大西洋,摄于摩洛哥的艾西拉(Asilah)。

(完)

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2014年12月11日星期四

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Unicode与JavaScript详解

Posted: 10 Dec 2014 09:45 PM PST

上个月,我做了一次分享,详细介绍了Unicode字符集,以及JavaScript语言对它的支持。下面就是这次分享的讲稿。

一、Unicode是什么?

Unicode源于一个很简单的想法:将全世界所有的字符包含在一个集合里,计算机只要支持这一个字符集,就能显示所有的字符,再也不会有乱码了。

它从0开始,为每个符号指定一个编号,这叫做"码点"(code point)。比如,码点0的符号就是null(表示所有二进制位都是0)。

 U+0000 = null 

上式中,U+表示紧跟在后面的十六进制数是Unicode的码点。

目前,Unicode的最新版本是7.0版,一共收入了109449个符号,其中的中日韩文字为74500个。可以近似认为,全世界现有的符号当中,三分之二以上来自东亚文字。比如,中文"好"的码点是十六进制的597D。

 U+597D = 好 

这么多符号,Unicode不是一次性定义的,而是分区定义。每个区可以存放65536个(216)字符,称为一个平面(plane)。目前,一共有17个(25)平面,也就是说,整个Unicode字符集的大小现在是221

最前面的65536个字符位,称为基本平面(缩写BMP),它的码点范围是从0一直到216-1,写成16进制就是从U+0000到U+FFFF。所有最常见的字符都放在这个平面,这是Unicode最先定义和公布的一个平面。

剩下的字符都放在辅助平面(缩写SMP),码点范围从U+010000一直到U+10FFFF。

二、UTF-32与UTF-8

Unicode只规定了每个字符的码点,到底用什么样的字节序表示这个码点,就涉及到编码方法。

最直观的编码方法是,每个码点使用四个字节表示,字节内容一一对应码点。这种编码方法就叫做UTF-32。比如,码点0就用四个字节的0表示,码点597D就在前面加两个字节的0。

 U+0000 = 0x0000 0000  U+597D = 0x0000 597D 

UTF-32的优点在于,转换规则简单直观,查找效率高。缺点在于浪费空间,同样内容的英语文本,它会比ASCII编码大四倍。这个缺点很致命,导致实际上没有人使用这种编码方法,HTML 5标准就明文规定,网页不得编码成UTF-32。

人们真正需要的是一种节省空间的编码方法,这导致了UTF-8的诞生。UTF-8是一种变长的编码方法,字符长度从1个字节到4个字节不等。越是常用的字符,字节越短,最前面的128个字符,只使用1个字节表示,与ASCII码完全相同。

编号范围字节
0x0000 - 0x007F1
0x0080 - 0x07FF2
0x0800 - 0xFFFF3
0x010000 - 0x10FFFF4

由于UTF-8这种节省空间的特性,导致它成为互联网上最常见的网页编码。不过,它跟今天的主题关系不大,我就不深入了,具体的转码方法,可以参考我多年前写的《字符编码笔记》

三、UTF-16简介

UTF-16编码介于UTF-32与UTF-8之间,同时结合了定长和变长两种编码方法的特点。

它的编码规则很简单:基本平面的字符占用2个字节,辅助平面的字符占用4个字节。也就是说,UTF-16的编码长度要么是2个字节(U+0000到U+FFFF),要么是4个字节(U+010000到U+10FFFF)。

于是就有一个问题,当我们遇到两个字节,怎么看出它本身是一个字符,还是需要跟其他两个字节放在一起解读?

说来很巧妙,我也不知道是不是故意的设计,在基本平面内,从U+D800到U+DFFF是一个空段,即这些码点不对应任何字符。因此,这个空段可以用来映射辅助平面的字符。

具体来说,辅助平面的字符位共有220个,也就是说,对应这些字符至少需要20个二进制位。UTF-16将这20位拆成两半,前10位映射在U+D800到U+DBFF(空间大小210),称为高位(H),后10位映射在U+DC00到U+DFFF(空间大小210),称为低位(L)。这意味着,一个辅助平面的字符,被拆成两个基本平面的字符表示。

所以,当我们遇到两个字节,发现它的码点在U+D800到U+DBFF之间,就可以断定,紧跟在后面的两个字节的码点,应该在U+DC00到U+DFFF之间,这四个字节必须放在一起解读。

四、UTF-16的转码公式

Unicode码点转成UTF-16的时候,首先区分这是基本平面字符,还是辅助平面字符。如果是前者,直接将码点转为对应的十六进制形式,长度为两字节。

 U+597D = 0x597D 

如果是辅助平面字符,Unicode 3.0版给出了转码公式。

 H = Math.floor((c-0x10000) / 0x400)+0xD800  L = (c - 0x10000) % 0x400 + 0xDC00 

以字符为例,它是一个辅助平面字符,码点为U+1D306,将其转为UTF-16的计算过程如下。

 H = Math.floor((0x1D306-0x10000)/0x400)+0xD800 = 0xD834  L = (0x1D306-0x10000) % 0x400+0xDC00 = 0xDF06 

所以,字符的UTF-16编码就是0xD834 DF06,长度为四个字节。

五、JavaScript使用哪一种编码?

JavaScript语言采用Unicode字符集,但是只支持一种编码方法。

这种编码既不是UTF-16,也不是UTF-8,更不是UTF-32。上面那些编码方法,JavaScript都不用。

JavaScript用的是UCS-2!

六、UCS-2编码

怎么突然杀出一个UCS-2?这就需要讲一点历史。

互联网还没出现的年代,曾经有两个团队,不约而同想搞统一字符集。一个是1989年成立的Unicode团队,另一个是更早的、1988年成立的UCS团队。等到他们发现了对方的存在,很快就达成一致:世界上不需要两套统一字符集。

1991年10月,两个团队决定合并字符集。也就是说,从今以后只发布一套字符集,就是Unicode,并且修订此前发布的字符集,UCS的码点将与Unicode完全一致。

当时的实际情况是,UCS的开发进度快于Unicode,早在1990年,就公布了第一套编码方法UCS-2,使用2个字节表示已经有码点的字符。(那个时候只有一个平面,就是基本平面,所以2个字节就够用了。)UTF-16编码迟至1996年7月才公布,明确宣布是UCS-2的超集,即基本平面字符沿用UCS-2编码,辅助平面字符定义了4个字节的表示方法。

两者的关系简单说,就是UTF-16取代了UCS-2,或者说UCS-2整合进了UTF-16。所以,现在只有UTF-16,没有UCS-2。

七、JavaScript的诞生背景

那么,为什么JavaScript不选择更高级的UTF-16,而用了已经被淘汰的UCS-2呢?

答案很简单:非不想也,是不能也。因为在JavaScript语言出现的时候,还没有UTF-16编码。

1995年5月,Brendan Eich用了10天设计了JavaScript语言;10月,第一个解释引擎问世;次年11月,Netscape正式向ECMA提交语言标准(整个过程详见《JavaScript诞生记》)。对比UTF-16的发布时间(1996年7月),就会明白Netscape公司那时没有其他选择,只有UCS-2一种编码方法可用!

八、JavaScript字符函数的局限

由于JavaScript只能处理UCS-2编码,造成所有字符在这门语言中都是2个字节,如果是4个字节的字符,会当作两个双字节的字符处理。JavaScript的字符函数都受到这一点的影响,无法返回正确结果。

还是以字符为例,它的UTF-16编码是4个字节的0xD834 DF06。问题就来了,4个字节的编码不属于UCS-2,JavaScript不认识,只会把它看作单独的两个字符U+D834和U+DF06。前面说过,这两个码点是空的,所以JavaScript会认为是两个空字符组成的字符串!

上面代码表示,JavaScript认为字符的长度是2,取到的第一个字符是空字符,取到的第一个字符的码点是0xDB34。这些结果都不正确!

解决这个问题,必须对码点做一个判断,然后手动调整。下面是正确的遍历字符串的写法。

 while (++index < length) {   // ...   if (charCode >= 0xD800 && charCode <= 0xDBFF) {     output.push(character + string.charAt(++index));   } else {     output.push(character);   } } 

上面代码表示,遍历字符串的时候,必须对码点做一个判断,只要落在0xD800到0xDBFF的区间,就要连同后面2个字节一起读取。

类似的问题存在于所有的JavaScript字符操作函数。

  • String.prototype.replace()
  • String.prototype.substring()
  • String.prototype.slice()
  • ...

上面的函数都只对2字节的码点有效。要正确处理4字节的码点,就必须逐一部署自己的版本,判断一下当前字符的码点范围。

九、ECMAScript 6

JavaScript的下一个版本ECMAScript 6(简称ES6),大幅增强了Unicode支持,基本上解决了这个问题。

(1)正确识别字符

ES6可以自动识别4字节的码点。因此,遍历字符串就简单多了。

 for (let s of string ) {   // ... } 

但是,为了保持兼容,length属性还是原来的行为方式。为了得到字符串的正确长度,可以用下面的方式。

 Array.from(string).length 

(2)码点表示法

JavaScript允许直接用码点表示Unicode字符,写法是"斜杠+u+码点"。

 '好' === '\u597D' // true 

但是,这种表示法对4字节的码点无效。ES6修正了这个问题,只要将码点放在大括号内,就能正确识别。

(3)字符串处理函数

ES6新增了几个专门处理4字节码点的函数。

  • String.fromCodePoint():从Unicode码点返回对应字符
  • String.prototype.codePointAt():从字符返回对应的码点
  • String.prototype.at():返回字符串给定位置的字符

(4)正则表达式

ES6提供了u修饰符,对正则表达式添加4字节码点的支持。

(5)Unicode正规化

有些字符除了字母以外,还有附加符号。比如,汉语拼音的Ǒ,字母上面的声调就是附加符号。对于许多欧洲语言来说,声调符号是非常重要的。

Unicode提供了两种表示方法。一种是带附加符号的单个字符,即一个码点表示一个字符,比如Ǒ的码点是U+01D1;另一种是将附加符号单独作为一个码点,与主体字符复合显示,即两个码点表示一个字符,比如Ǒ可以写成O(U+004F) + ˇ(U+030C)。

 // 方法一 '\u01D1' // 'Ǒ'  // 方法二 '\u004F\u030C' // 'Ǒ' 

这两种表示方法,视觉和语义都完全一样,理应作为等同情况处理。但是,JavaScript无法辨别。

   '\u01D1'==='\u004F\u030C'   //false  

ES6提供了normalize方法,允许"Unicode正规化",即将两种方法转为同样的序列。

  '\u01D1'.normalize() === '\u004F\u030C'.normalize()   // true 

关于ES6的更多介绍,请看《ECMAScript 6入门》

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我的讲稿就是上面这些内容,当天的PPT请看这里

(完)

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2014年11月29日星期六

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数据可视化:基本图表

Posted: 28 Nov 2014 10:14 PM PST

"数据可视化"可以帮助用户理解数据,一直是热门方向。

图表是"数据可视化"的常用手段,其中又以基本图表----柱状图、折线图、饼图等等----最为常用。

用户非常熟悉这些图表,但如果被问道,它们的特点是什么,最适用怎样的场合(数据集)?恐怕答得上来的人就不多了。

本文是电子书《Data Visualization with JavaScript》第一章的笔记,总结了六种基本图表的特点和适用场合,非常好地回答了上面的问题。

零、序言

进入正题之前,先纠正一种误解。

有人觉得,基本图表太简单、太原始,不高端,不大气,因此追求更复杂的图表。但是,越简单的图表,越容易理解,而快速易懂地理解数据,不正是"数据可视化"的最重要目的和最高追求吗?

所以,请不要小看这些基本图表。因为用户最熟悉它们,所以只要是适用的场合,就应该考虑优先使用。

一、柱状图(Bar Chart)

柱状图是最常见的图表,也最容易解读。

它的适用场合是二维数据集(每个数据点包括两个值x和y),但只有一个维度需要比较。年销售额就是二维数据,"年份"和"销售额"就是它的两个维度,但只需要比较"销售额"这一个维度。

柱状图利用柱子的高度,反映数据的差异。肉眼对高度差异很敏感,辨识效果非常好。柱状图的局限在于只适用中小规模的数据集。

通常来说,柱状图的X轴是时间维,用户习惯性认为存在时间趋势。如果遇到X轴不是时间维的情况,建议用颜色区分每根柱子,改变用户对时间趋势的关注。

上图是英国足球联赛某个年度各队的赢球场数,X轴代表不同球队,Y轴代表赢球数。

二、折线图(Line Chart)数据

折线图适合二维的大数据集,尤其是那些趋势比单个数据点更重要的场合。

它还适合多个二维数据集的比较。

上图是两个二维数据集(大气中二氧化碳浓度,地表平均气温)的折线图。

三、饼图(Pie Chart)

饼图是一种应该避免使用的图表,因为肉眼对面积大小不敏感。

上图中,左侧饼图的五个色块的面积排序,不容易看出来。换成柱状图,就容易多了。

一般情况下,总是应该用柱状图替代饼图。但是有一个例外,就是反映某个部分占整体的比重,比如贫穷人口占总人口的百分比。

四、散点图(Scatter Chart)

散点图适用于三维数据集,但其中只有两维需要比较。

上图是各国的医疗支出与预期寿命,三个维度分别为国家、医疗支出、预期寿命,只有后两个维度需要比较。

为了识别第三维,可以为每个点加上文字标示,或者不同颜色。

五、气泡图(Bubble Chart)

气泡图是散点图的一种变体,通过每个点的面积大小,反映第三维。

上图是卡特里娜飓风的路径,三个维度分别为经度、纬度、强度。点的面积越大,就代表强度越大。因为用户不善于判断面积大小,所以气泡图只适用不要求精确辨识第三维的场合。

如果为气泡加上不同颜色(或文字标签),气泡图就可用来表达四维数据。比如下图就是通过颜色,表示每个点的风力等级。

六、雷达图(Radar Chart)

雷达图适用于多维数据(四维以上),且每个维度必须可以排序(国籍就不可以排序)。但是,它有一个局限,就是数据点最多6个,否则无法辨别,因此适用场合有限。

下面是迈阿密热火队首发的五名篮球选手的数据。除了姓名,每个数据点有五个维度,分别是得分、篮板、助攻、抢断、封盖。

画成雷达图,就是下面这样。

面积越大的数据点,就表示越重要。很显然,勒布朗·詹姆斯(红色区域)是热火队最重要的选手。

需要注意的时候,用户不熟悉雷达图,解读有困难。使用时尽量加上说明,减轻解读负担。

七、总结

图表 维度 注意点
柱状图 二维 只需比较其中一维
折线图 二维 适用于较大的数据集
饼图 二维 只适用反映部分与整体的关系
散点图 二维或三维 有两个维度需要比较
气泡图 三维或四维 其中只有两维能精确辨识
雷达图 四维以上 数据点不超过6个

(完)

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2014年11月11日星期二

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编译器的工作过程

Posted: 10 Nov 2014 09:43 PM PST

源码要运行,必须先转成二进制的机器码。这是编译器的任务。

比如,下面这段源码(假定文件名叫做test.c)。

 #include <stdio.h>  int main(void) {   fputs("Hello, world!\n", stdout);   return 0; } 

要先用编译器处理一下,才能运行。

 $ gcc test.c $ ./a.out Hello, world! 

对于复杂的项目,编译过程还必须分成三步。

 $ ./configure $ make   $ make install 

这些命令到底在干什么?大多数的书籍和资料,都语焉不详,只说这样就可以编译了,没有进一步的解释。

本文将介绍编译器的工作过程,也就是上面这三个命令各自的任务。我主要参考了Alex Smith的文章《Building C Projects》。需要声明的是,本文主要针对gcc编译器,也就是针对C和C++,不一定适用于其他语言的编译。

第一步 配置(configure)

编译器在开始工作之前,需要知道当前的系统环境,比如标准库在哪里、软件的安装位置在哪里、需要安装哪些组件等等。这是因为不同计算机的系统环境不一样,通过指定编译参数,编译器就可以灵活适应环境,编译出各种环境都能运行的机器码。这个确定编译参数的步骤,就叫做"配置"(configure)。

这些配置信息保存在一个配置文件之中,约定俗成是一个叫做configure的脚本文件。通常它是由autoconf工具生成的。编译器通过运行这个脚本,获知编译参数。

configure脚本已经尽量考虑到不同系统的差异,并且对各种编译参数给出了默认值。如果用户的系统环境比较特别,或者有一些特定的需求,就需要手动向configure脚本提供编译参数。

 $ ./configure --prefix=/www --with-mysql 

上面代码是php源码的一种编译配置,用户指定安装后的文件保存在www目录,并且编译时加入mysql模块的支持。

第二步 确定标准库和头文件的位置

源码肯定会用到标准库函数(standard library)和头文件(header)。它们可以存放在系统的任意目录中,编译器实际上没办法自动检测它们的位置,只有通过配置文件才能知道。

编译的第二步,就是从配置文件中知道标准库和头文件的位置。一般来说,配置文件会给出一个清单,列出几个具体的目录。等到编译时,编译器就按顺序到这几个目录中,寻找目标。

第三步 确定依赖关系

对于大型项目来说,源码文件之间往往存在依赖关系,编译器需要确定编译的先后顺序。假定A文件依赖于B文件,编译器应该保证做到下面两点。

(1)只有在B文件编译完成后,才开始编译A文件。

(2)当B文件发生变化时,A文件会被重新编译。

编译顺序保存在一个叫做makefile的文件中,里面列出哪个文件先编译,哪个文件后编译。而makefile文件由configure脚本运行生成,这就是为什么编译时configure必须首先运行的原因。

在确定依赖关系的同时,编译器也确定了,编译时会用到哪些头文件。

第四步 头文件的预编译(precompilation)

不同的源码文件,可能引用同一个头文件(比如stdio.h)。编译的时候,头文件也必须一起编译。为了节省时间,编译器会在编译源码之前,先编译头文件。这保证了头文件只需编译一次,不必每次用到的时候,都重新编译了。

不过,并不是头文件的所有内容,都会被预编译。用来声明宏的#define命令,就不会被预编译。

第五步 预处理(Preprocessing)

预编译完成后,编译器就开始替换掉源码中bash的头文件和宏。以本文开头的那段源码为例,它包含头文件stdio.h,替换后的样子如下。

 extern int fputs(const char *, FILE *); extern FILE *stdout;  int main(void) {     fputs("Hello, world!\n", stdout);     return 0; } 

为了便于阅读,上面代码只截取了头文件中与源码相关的那部分,即fputs和FILE的声明,省略了stdio.h的其他部分(因为它们非常长)。另外,上面代码的头文件没有经过预编译,而实际上,插入源码的是预编译后的结果。编译器在这一步还会移除注释。

这一步称为"预处理"(Preprocessing),因为完成之后,就要开始真正的处理了。

第六步 编译(Compilation)

预处理之后,编译器就开始生成机器码。对于某些编译器来说,还存在一个中间步骤,会先把源码转为汇编码(assembly),然后再把汇编码转为机器码。

下面是本文开头的那段源码转成的汇编码。

     .file   "test.c"     .section    .rodata .LC0:     .string "Hello, world!\n"     .text     .globl  main     .type   main, @function main: .LFB0:     .cfi_startproc     pushq   %rbp     .cfi_def_cfa_offset 16     .cfi_offset 6, -16     movq    %rsp, %rbp     .cfi_def_cfa_register 6     movq    stdout(%rip), %rax     movq    %rax, %rcx     movl    $14, %edx     movl    $1, %esi     movl    $.LC0, %edi     call    fwrite     movl    $0, %eax     popq    %rbp     .cfi_def_cfa 7, 8     ret     .cfi_endproc .LFE0:     .size   main, .-main     .ident  "GCC: (Debian 4.9.1-19) 4.9.1"     .section    .note.GNU-stack,"",@progbits 

这种转码后的文件称为对象文件(object file)。

第七步 连接(Linking)

对象文件还不能运行,必须进一步转成可执行文件。如果你仔细看上一步的转码结果,会发现其中引用了stdout函数和fwrite函数。也就是说,程序要正常运行,除了上面的代码以外,还必须有stdout和fwrite这两个函数的代码,它们是由C语言的标准库提供的。

编译器的下一步工作,就是把外部函数的代码(通常是后缀名为.lib和.a的文件),添加到可执行文件中。这就叫做连接(linking)。这种通过拷贝,将外部函数库添加到可执行文件的方式,叫做静态连接(static linking),后文会提到还有动态连接(dynamic linking)。

make命令的作用,就是从第四步头文件预编译开始,一直到做完这一步。

第八步 安装(Installation)

上一步的连接是在内存中进行的,即编译器在内存中生成了可执行文件。下一步,必须将可执行文件保存到用户事先指定的安装目录。

表面上,这一步很简单,就是将可执行文件(连带相关的数据文件)拷贝过去就行了。但是实际上,这一步还必须完成创建目录、保存文件、设置权限等步骤。这整个的保存过程就称为"安装"(Installation)。

第九步 操作系统连接

可执行文件安装后,必须以某种方式通知操作系统,让其知道可以使用这个程序了。比如,我们安装了一个文本阅读程序,往往希望双击txt文件,该程序就会自动运行。

这就要求在操作系统中,登记这个程序的元数据:文件名、文件描述、关联后缀名等等。Linux系统中,这些信息通常保存在/usr/share/applications目录下的.desktop文件中。另外,在Windows操作系统中,还需要在Start启动菜单中,建立一个快捷方式。

这些事情就叫做"操作系统连接"。make install命令,就用来完成"安装"和"操作系统连接"这两步。

第十步 生成安装包

写到这里,源码编译的整个过程就基本完成了。但是只有很少一部分用户,愿意耐着性子,从头到尾做一遍这个过程。事实上,如果你只有源码可以交给用户,他们会认定你是一个不友好的家伙。大部分用户要的是一个二进制的可执行程序,立刻就能运行。这就要求开发者,将上一步生成的可执行文件,做成可以分发的安装包。

所以,编译器还必须有生成安装包的功能。通常是将可执行文件(连带相关的数据文件),以某种目录结构,保存成压缩文件包,交给用户。

第十一步 动态连接(Dynamic linking)

正常情况下,到这一步,程序已经可以运行了。至于运行期间(runtime)发生的事情,与编译器一概无关。但是,开发者可以在编译阶段选择可执行文件连接外部函数库的方式,到底是静态连接(编译时连接),还是动态连接(运行时连接)。所以,最后还要提一下,什么叫做动态连接。

前面已经说过,静态连接就是把外部函数库,拷贝到可执行文件中。这样做的好处是,适用范围比较广,不用担心用户机器缺少某个库文件;缺点是安装包会比较大,而且多个应用程序之间,无法共享库文件。动态连接的做法正好相反,外部函数库不进入安装包,只在运行时动态引用。好处是安装包会比较小,多个应用程序可以共享库文件;缺点是用户必须事先安装好库文件,而且版本和安装位置都必须符合要求,否则就不能正常运行。

现实中,大部分软件采用动态连接,共享库文件。这种动态共享的库文件,Linux平台是后缀名为.so的文件,Windows平台是.dll文件,Mac平台是.dylib文件。

(文章完)

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(完)

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