Biblioteki są kluczowymi składnikami każdego systemu operacyjnego, a ich zrozumienie jest niezbędne dla skutecznego tworzenia i zarządzania aplikacjami. W ramach tego ćwiczenia przyjrzymy się trzem głównym typom bibliotek: statycznym, współdzielonym i dynamicznym.
Biblioteki statyczne są skompilowanymi plikami binarnymi, które są dołączane do programów podczas kompilacji. Są one integralną częścią aplikacji i wszystkie funkcje zawarte w bibliotece statycznej są kopiowane do pliku wykonywalnego programu. W przeciwieństwie do tego biblioteki współdzielone są ładowane do pamięci podczas uruchamiania programu i mogą być współużytkowane przez wiele aplikacji. Natomiast biblioteki dynamiczne są podobne do bibliotek współdzielonych, ale są ładowane do pamięci podczas uruchamiania programu i mogą być ładowane i usuwane dynamicznie w trakcie działania aplikacji.
Aby zademonstrować tworzenie i korzystanie z bibliotek zaimplementujemy bibliotekę pomagającą w badaniu problemu Collatza.
Problem Collatza Problem Collatza (Collatz Conjecture), znana również jako problem 3n+1, to jedno z najbardziej znanych nierozwiązanych problemów w matematyce. Zakłada, że startując od dowolnej dodatniej liczby całkowitej, można ją zredukować do 1, wykonując iteracyjne kroki na podstawie następujących reguł: jeśli liczba jest parzysta, podziel ją przez 2; jeśli jest nieparzysta, pomnóż przez 3 i dodaj 1. Mimo prostoty zasady, problem pozostaje nierozwiązany dla dowolnej liczby startowej, choć jest uznawany za prawdziwy ze względu na obserwacje empiryczne dla wielu początkowych wartości.
Zadanie:
-
Stwórz bibliotekę w języku C wystawiającą klientom następujące dwie funkcje:
int collatz_conjecture(int input)- funkcja realizująca regułę Collatza postaci:$$c_{n+1} = \begin{cases} \frac{1}{2}c_n & \text{gdy} c_n \text{jest parzysta}\\\ 3c_n + 1 & \text{gdy} c_n \text{jest nieparzysta} \end{cases}$$ Funkcja ta przyjmuje jedną liczbę typu całkowitego. Jeżeli jest ona parzysta, podziel ją przez 2 i zwróć wynik. Jeżeli jest nieparzysta, pomnóż ją przez 3 i dodaj 1, a następnie zwróć wynik.int test_collatz_convergence(int input, int max_iter)- funkcja sprawdzająca po ilu wywołaniach collatz_conjecture zbiega się do 1. Powinna ona wywoływać regułę Collatza najpierw na liczbie wejściowej a później na wyniku otrzymanym z reguły. W celu ochrony przed zbyt długim zapętlaniem się funkcji drugi parametr stanowi górną granicę liczby iteracji. W przypadku gdy funkcja wykona maksymalną ilość iteracji i nie znajdzie wyniku 1, wtedy zwróć -1.
-
W pliku makefile utwórz dwa wpisy: do kompilacji statycznej biblioteki i do kompilacji współdzielonej.
-
Napisz klienta korzystającego z kodu biblioteki, klient powinien sprawdzać kilka liczb, wykorzystując test_collatz_convergence, tj. po ilu iteracjach wynik zbiegnie się do 1 i wypisać liczbę iteracji na standardowe wyjście. Klient powinien korzystać z biblioteki na 3 sposoby: Jako biblioteka statyczna Jako biblioteka współdzielona (linkowana dynamicznie) Jako biblioteka ładowana dynamicznie Dla każdego z wariantów utwórz odpowiedni wpis w Makefile. Do realizacji biblioteki dynamicznej użyj definicji stałej (-D) i dyrektywy preprocesora, aby zmodyfikować sposób działania klienta.
-
Wyświetl zawartość plików binarnych wszystkich wariantów klienta przy pomocy programu objdump, znajdź miejsca wywołania funkcji test_collatz_convergence omów różnice w kodzie binarnym. Dla większej jasności kodu kompiluj bez optymalizacji -O0.