Βιβλιοθήκη (υπολογιστές)

Στην πληροφορική καλούμε βιβλιοθήκη (library) μια συλλογή από έτοιμα υποπρογράμματα που χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη λογισμικού. Οι βιβλιοθήκες περιέχουν υποβοηθητικό κώδικα και δεδομένα, παρέχοντας, με αυτόν τον τρόπο, υπηρεσίες σε προγράμματα. Αυτό επιτρέπει τον διαμοιρασμό και τη χρήση του κώδικα και των δεδομένων με αρθρωτό τρόπο. Η έννοια της βιβλιοθήκης είναι αναπόσπαστο τμήμα του δομημένου προγραμματισμού και αναπτύχθηκε παράλληλα με αυτόν.
Κάποια εκτελέσιμα αρχεία (executables) είναι προγράμματα και βιβλιοθήκες ταυτόχρονα, αλλά οι περισσότερες βιβλιοθήκες δεν είναι εκτελέσιμες. Τα εκτελέσιμα αρχεία και οι βιβλιοθήκες αναφέρονται το ένα στον κώδικα και τα δεδομένα του άλλου μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται σύνδεση και την πραγματοποιεί ο συνδέτης. Τα σύγχρονα λειτουργικά συστήματα παρέχουν βιβλιοθήκες που υλοποιούν την πλειονότητα των υπηρεσιών του συστήματος. Έτσι, ο περισσότερος κώδικας που χρησιμοποιούν οι σύγχρονες εφαρμογές παρέχεται από αυτές τις βιβλιοθήκες και δεν χρειάζεται να γραφεί από την αρχή για κάθε νέο πρόγραμμα.

Λειτουργία

Ένα αρχείο πηγαίου κώδικα υψηλού επιπέδου γραμμένο σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού, μεταγλωττίζεται σε ένα αντίστοιχο αρχείο συμβολικού κώδικα (assembly) από τον κατάλληλο μεταγλωττιστή (compiler). Το προκύπτον αρχείο στη συνέχεια μετασχηματίζεται σε αντικειμενικό αρχείο γλώσσας μηχανής από έναν συμβολομεταφραστή (assembler), μία διαδικασία που μετατρέπει τον κώδικα σε αρχείο άμεσα εκτελέσιμο από τον επεξεργαστή. Η συμβολική γλώσσα και η γλώσσα μηχανής είναι ίδιου επιπέδου και υπάρχει αμφιμονοσήμαντη αντιστοιχία μεταξύ τους, αλλά η συμβολική αποτελείται από χαρακτήρες του λατινικού αλφαβήτου και δεκαεξαδικά ψηφία, ώστε να είναι κάπως κατανοητή από τον άνθρωπο, ενώ η γλώσσα μηχανής συντίθεται αποκλειστικά από bit.
Έτσι, τελικά, σε κάθε αρχείο πηγαίου κώδικα, είτε αυτό είναι αυτόνομο (με «σημείο εισόδου εκτέλεσης», π.χ. στη γλώσσα C η συνάρτηση main() από την οποία εκκινεί η εκτέλεση ενός προγράμματος) είτε όχι (π.χ. αρχείο βιβλιοθήκης), αντιστοιχίζεται ένα αντικειμενικό αρχείο με κώδικα μηχανής (αρχεία με επέκταση «.o» στο Unix και «.obj» στα Windows). Ένα αντικειμενικό αρχείο περιέχει εκτελέσιμο κώδικα, δηλώσεις δεδομένων, έναν πίνακα συμβόλων, όπου ορίζονται τα αναγνωριστικά (ονόματα μεταβλητών, σταθερών ή διαδικασιών) που εξάγονται από το αρχείο -δηλώνονται δηλαδή σε αυτό- ή εισάγονται στο αρχείο -χρησιμοποιούνται δηλαδή χωρίς να δηλώνονται-, και λοιπές πληροφορίες για τον «συνδέτη» (linker). Ο τελευταίος συνήθως καλείται αυτομάτως αμέσως μετά τον συμβολομεταφραστή, δέχεται ως είσοδο ένα ή περισσότερα αντικειμενικά αρχεία, τα συνενώνει κατάλληλα και παράγει ένα μοναδικό, τελικό εκτελέσιμο αρχείο. Αυτή η συνένωση που επιτελεί όμως ο συνδέτης δεν αφορά μόνο πολλαπλά αντικειμενικά αρχεία (που προκύπτουν προφανώς από αντίστοιχα πολλαπλά πηγαία αρχεία) της ίδιας εφαρμογής, αλλά επεκτείνεται και στο να «επιλύει αναφορές εισαγόμενων συμβόλων»: σαρώνει δηλαδή τον πίνακα συμβόλων κάθε αντικειμενικού αρχείου εισόδου, ανακαλύπτει ποια αναγνωριστικά παρέχονται από κάποια βιβλιοθήκη, αναζητά τον αντικειμενικό κώδικα της βιβλιοθήκης και εισάγει στο τελικό εκτελέσιμο της εφαρμογής τα κατάλληλα τμήματά του.
Προκειμένου να επιτύχει τους στόχους του ο συνδέτης, ανάμεσα στ' άλλα, προβαίνει σε ένα πρώτο βήμα επανατοποθέτησης. Αυτό σημαίνει ότι κάθε τμήμα κώδικα μηχανής που εισάγει και τακτοποιεί στο τελικό εκτελέσιμο αρχείο, είτε είναι από αντικειμενικό αρχείο που έδωσε ως είσοδο στον συνδέτη ο χρήστης είτε από αντικειμενικό αρχείο βιβλιοθήκης, το τροποποιεί κατάλληλα ώστε τελικά όλες οι διευθύνσεις μνήμης εντολών και δεδομένων στο τελικό εκτελέσιμο να είναι συνεπείς μεταξύ τους, να μην επικαλύπτονται και να είναι σχετικές ως προς μία κοινή διεύθυνση βάσης. Αυτό το βήμα είναι απαραίτητο γιατί ο μεταγλωττιστής νωρίτερα είχε δράσει θεωρώντας ξεχωριστό χώρο διευθύνσεων για κάθε αντικειμενικό αρχείο με διαφορετικές διευθύνσεις βάσης. Συνήθως, για διευκόλυνση του προγραμματιστή, ο μεταγλωττιστής, ο συμβολομεταφραστής και ο συνδέτης καλούνται με μία μόνο εντολή και με τη σωστή σειρά· αν ωστόσο ο προγραμματιστής το επιθυμεί, μπορεί περνώντας κάποια κατάλληλη παράμετρο να τροποποιήσει αυτήν τη συμπεριφορά (π.χ. στον μεταγλωττιστή της C gcc με την παράμετρο «-c» παραλείπεται η σύνδεση). Τα αντικειμενικά αρχεία υπακούν σε διάφορα προτυποποιημένα μορφότυπα (format), τα οποία καθορίζουν τη δομή τους και, συνήθως, είναι ίδια και για τα τελικά εκτελέσιμα αρχεία. Επιπλέον, τα μορφότυπα αυτά είναι ίδια τόσο για τα αυτόνομα εκτελέσιμα αρχεία όσο και για τις βιβλιοθήκες. Σύνηθες μορφότυπο εκτελέσιμου αρχείου στα Windows είναι το PE, ενώ στο Unix το ELF.
Όταν επίκειται το «τρέξιμο» (εκτέλεση) ενός εκτελέσιμου αρχείου, εκτελείται πρώτα ένα κατάλληλο πρόγραμμα του λειτουργικού συστήματος (ΛΣ): ο φορτωτής (loader). Ο τελευταίος αντιγράφει τα περιεχόμενα του εκτελέσιμου από τον δίσκο στη μνήμη, δίνει κατάλληλες τιμές σε εσωτερικές δομές του πυρήνα (αφού ουσιαστικά εκκινείται μία νέα διεργασία) και ειδοποιεί σχετικά το υποσύστημα εικονικής μνήμης, ενώ, αν το τελευταίο δεν είναι διαθέσιμο, κάτι σπάνιο σήμερα αφού όλα τα μοντέρνα ΛΣ χρησιμοποιούν εικονική μνήμη, τροποποιεί επιπλέον τον κώδικα του προγράμματος με ένα δεύτερο βήμα επανατοποθέτησης: η διεύθυνση βάσης, ως προς την οποία γίνονται όλες οι αναφορές μνήμης εντός του κώδικα, παίρνει την τιμή της θέσης μνήμης στην οποία πραγματικά φορτώθηκε η πρώτη εντολή του προγράμματος. Αυτή η θέση μνήμης δεν είναι γνωστή πριν από τη φόρτωση (εκτός αν το ΛΣ δεν είναι πολυδιεργασιακό, όπως το MS-DOS, κάτι πολύ σπάνιο σήμερα), οπότε αυτή η επανατοποθέτηση όλου του εκτελέσιμου πρέπει να γίνεται σε κάθε εκτέλεση. Αν όμως το ΛΣ παρέχει μηχανισμό εικονικής μνήμης, τότε αυτό το βήμα δεν είναι απαραίτητο αφού κάθε διεργασία έχει έναν πλήρη, ιδιωτικό χώρο εικονικών διευθύνσεων στη διάθεσή της, με το υποσύστημα εικονικής μνήμης του πυρήνα να αναλαμβάνει την αντιστοίχιση με τη φυσική μνήμη (αχρηστεύοντας έτσι την επανατοποθέτηση χρόνου φόρτωσης). Σε κάθε περίπτωση, μόλις ο φορτωτής ολοκληρώσει την εργασία του τερματίζεται και η νέα διεργασία είναι έτοιμη προς εκτέλεση. Το πότε θα αρχίσει πραγματικά να εκτελείται είναι θέμα του χρονοπρογραμματιστή του πυρήνα.

Κατηγορίες

Οι βιβλιοθήκες μπορούν να είναι στατικές ή δυναμικές, καθώς και κοινόχρηστες ή μη.
Όταν ένα πρόγραμμα καλεί υποπρογράμματα από στατικές βιβλιοθήκες, ο συνδέτης (ο οποίος συμβουλεύεται κατάλληλα αρχεία ρυθμίσεων ή το ΛΣ για να βρει τις βιβλιοθήκες) ενσωματώνει πραγματικά τον αντικειμενικό τους κώδικα στο εκτελέσιμο που παράγει και επανατοποθετεί κατάλληλα τις διευθύνσεις μνήμης σε χρόνο σύνδεσης.
Αντίθετα, οι δυναμικές βιβλιοθήκες ενσωματώνονται και επανατοποθετούνται στον τελικό κώδικα απευθείας στη μνήμη και ενώ το πρόγραμμα εκτελείται, με αποτέλεσμα τα εκτελέσιμα αρχεία να έχουν σαφώς μικρότερο μέγεθος (αφού περιέχουν απλώς οδηγίες προς έναν συνδέτη χρόνου εκτέλεσης, παρεχόμενου από το ΛΣ, αντί για τον ίδιο τον αντικειμενικό κώδικα των καλούμενων υποπρογραμμάτων βιβλιοθήκης), αλλά να απαιτείται η μόνιμη παρουσία του αντικειμενικού αρχείου της βιβλιοθήκης στο σύστημα αρχείων προκειμένου να είναι δυνατή η εκτέλεση του προγράμματος.
Επίσης οι δυναμικές βιβλιοθήκες μπορούν να είναι κοινόχρηστες, δηλαδή να υπάρχει μόνο ένα αντίγραφό τους το οποίο διαμοιράζεται σε πολλαπλές διεργασίες που τις χρησιμοποιούν ταυτόχρονα. Η κοινοχρησία μπορεί να συμβαίνει είτε μόνο στον δίσκο (να υπάρχει δηλαδή ένα μόνο αντικειμενικό αρχείο της βιβλιοθήκης), όπως συμβαίνει με τα αρχεία με επέκταση «.dll» στα Windows, είτε και στη μνήμη (να φορτώνεται μόνο μία φορά η βιβλιοθήκη στη μνήμη RAM και όσα προγράμματα τη χρησιμοποιούν να απεικονίζουν το τμήμα μνήμης που καταλαμβάνει στον ιδιωτικό, εικονικό τους χώρο διευθύνσεων), όπως συμβαίνει με τα αρχεία με επέκταση «.so» στο Unix. Επειδή το μορφότυπο αρχείου των βιβλιοθηκών είναι ίδιο με των αυτόνομων εκτελέσιμων και αντικειμενικών αρχείων, ακόμα κι ένα εκτελέσιμο μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως κοινόχρηστη βιβλιοθήκη, αρκεί να περιέχει έναν πίνακα συμβόλων για χρήση από τον συνδέτη χρόνου εκτέλεσης, με πληροφορίες για τις συναρτήσεις και τις δομές δεδομένων που εξάγει.
Η διάδοση του αντικειμενοστρεφούς προγραμματισμού στις αρχές της δεκαετίας του 1990 έκανε επιτακτική την ανάγκη προτυποποίησης ενός μορφοτύπου αντικειμενικών αρχείων βιβλιοθηκών που δεν θα περιείχαν μεμονωμένες δομές δεδομένων και διαδικασίες, αλλά κλάσεις. Η κληρονομικότητα όμως, έμφυτο και ισχυρό χαρακτηριστικό της αντικειμενοστρέφειας, δυσχέραινε αυτήν την προσπάθεια, αφού για να οριστεί μία μέθοδος (η αντικειμενοστρεφής «εκδοχή» της διαδικασίας) δεν επαρκεί το πλήρες αναγνωριστικό της και το σημείο εισόδου του κώδικά της, αλλά χρειάζεται και μια λίστα των κλάσεων από τις οποίες κληρονομείται. Παράλληλα την ίδια στιγμή είχαν γίνει δημοφιλή τα κατανεμημένα συστήματα λογισμικού, τα οποία επέτρεπαν σε ένα πρόγραμμα να εκτελεί διαφανώς κλήσεις σε απομακρυσμένες διαδικασίες, ο κώδικας των οποίων ήταν τοποθετημένος σε κάποιον άλλον κόμβο ενός δικτύου υπολογιστών. Οι ενδιαφερόμενες εταιρίες, λοιπόν, περί το 1995, προτυποποίησαν διάφορα μορφότυπα αντικειμενικών αρχείων βιβλιοθηκών κλάσεων, οι μέθοδοι των οποίων μπορούσαν να εκτελεστούν σε διαφορετικά ΛΣ και να προσπελαστούν από διάφορες γλώσσες προγραμματισμού. Συνήθως οι βιβλιοθήκες αυτές διατίθονταν σε δύο εκδόσεις: μία απλή και μία κατανεμημένη, η οποία λειτουργούσε ως ενδιάμεσο λογισμικό και υποστήριζε απομακρυσμένη πρόσβαση και κλήση μεθόδων.
Με το πέρασμα του χρόνου το μόνο που επιβίωσε από αυτά τα πρότυπα είναι το COM της Microsoft (με το DCOM να είναι η κατανεμημένη εκδοχή του). Εξαίρεση αποτέλεσε ο προγραμματιστικός κόσμος της Java ο οποίος ακολούθησε τη δική του οδό, αφού τα προγράμματα και οι βιβλιοθήκες της Java δεν μεταγλωττίζονται σε εγγενή κώδικα μηχανής αλλά σε έναν ενδιάμεσο, κοινό για όλες τις αρχιτεκτονικές υπολογιστών, bytecode, ο οποίος για να τρέξει διερμηνεύεται σε χρόνο εκτέλεσης από μία Εικονική Μηχανή Java, ένα περιβάλλον εκτέλεσης που τοποθετείται πάνω από το ΛΣ. Στην Java κάθε κλάση μεταγλωττίζεται σε ένα αρχείο με επέκταση «.class», αντίστοιχο του αντικειμενικού αρχείου, το οποίο περιέχει bytecode, ενώ ένα αυτόνομο πρόγραμμα είναι απλώς μία κλάση που περιέχει μία μέθοδο με όνομα main() ως σημείο εισόδου. Ο συνδέτης και ο φορτωτής αποτελούν τμήματα της Εικονικής Μηχανής Java και καλούνται αυτόματα και δυναμικά όταν επίκειται εκτέλεση ενός αρχείου .class. Μία συλλογή αρχείων .class που δεν περιέχουν μεθόδους main(), ουσιαστικά δηλαδή μία βιβλιοθήκη κλάσεων, μπορεί να συνενωθεί σε ένα συμπιεσμένο αρχείο «.jar», το οποίο δεν είναι παρά ένα ανεξάρτητο αρχιτεκτονικής μορφότυπο μεταγλωττισμένων (σε bytecode) βιβλιοθηκών κλάσεων.