静的リンクと動的リンク：その違いとは？

イントロ

プログラムが正常に動作するためには、その構成要素や外部ライブラリがすべて同期して、目の前のタスクを実行するために協力する必要があります。そこで、静的リンク方式と動的リンク方式が登場します。静的リンクとは、オペレーティングシステムが理解できるように、またプログラムが実行できるようにコードを翻訳するプロセスです。

静的リンクと動的リンクは、アプリケーションのパフォーマンスと信頼性を最大限に高めるために最適化される、コンピュータプログラミングで使用される2つの異なる技術です。

静的リンクは、コンパイル時にコードがリンクされるプロセスで、コンパイラがライブラリからすべてのモジュールの連続体を作成することを意味します。この結果、1つの実行ファイルができ、必要なときに簡単に実行することができるようになります。

一方、ダイナミックリンクは、コードのリンクは行わず、アプリケーションを実行する前にライブラリ（またはモジュール）をメモリにロードする必要があります。このため、必要なときに必要なものだけを読み込むことができ、メモリ管理がしやすくなります。

しかし、どちらの方法にも長所と短所があり、両方を理解することで、開発者が自分のプロジェクトにいつ使うかについて、より詳しい情報を得ることができます。

今回は、まずプログラムのライフサイクルとその過程について説明します。また、静的リンクと動的リンクを別々に定義し、その違いを探ります。そして、両者の違いを判断するための手順を説明します。

プログラムの典型的なライフサイクルとは？

リンクの意味を理解するために、まず、プログラムを成功させるために必要な段階を見てみましょう。

アプリやプログラムを作るには、まずテキストファイルに好きなコードエディターでソースコードを書くことから始めます。通常、そのプロセスを文書化するために外部のコンサルタントに頼ることなく、機能的で実行可能なものにするために、他の外部ライブラリやプログラムと組み合わせたいと考えるでしょう。

そのため、目的の動作を実行するために、プログラムがオペレーティングシステムに送信する必要がある一連の手順があります。これを可能にするために、プログラムライブラリのソースコードをOSが読み込んで実行ファイルにロードできるように、機械（バイナリオブジェクト）コードに変換する必要があります。

プログラムができるまでには、通常、コンパイル、ロード、ランタイムの3つの段階がある。

コンパイルとは、アプリやプログラムライブラリのソースコード（テキストファイル）を、OSが実行に必要な命令を理解できるようにマシンコードに変換する作業です。

ロードとは、プログラムのライフサイクルの次の段階で、プログラムが実行ファイル（OSのメモリ）に転送されることである。

プログラムのライフサイクルの最後の段階がランタイムです。これは、ロードされた命令が実行され、プログラムで概説されたすべてのタスクが実行されるときです。この時点で、グラフィカルな要素の表示やAPIへのデータ送信など、要求されたIOオペレーションが発生します。さらに、この段階でプログラミングのエラーを検出し、必要に応じて対処することもできます。最後に、すべての命令が処理され、タスクが完了すると、プログラムは正常に終了し、ライフサイクルを終了します。

リンクはこれらの各段階で行われ、成功した実行のために必要なプログラムの他のライブラリを、あなたが書いたものと一緒に持ってくるために必要です。複数のマシン（オブジェクト）ファイルを集めて1つの実行ファイルを作成するプロセスです。

静的リンクと動的リンク：定義と主な相違点

静的リンクとは、プログラムに必要なすべてのライブラリを、リンカを介して実行ファイルに直接コピーすることです。コンパイル段階の最後に行われます。

ダイナミックリンクとは、実行時にライブラリを実行ファイルに名前付きでコピーすることです。つまり、プログラムの実行時にのみ、OSが必要なファイル（共有ライブラリ）をメモリにロードすることになります。

スピード

静的リンク方式を使用する場合、共有ライブラリ（動的）とは対照的に、静的にリンクされたライブラリを扱います。静的にリンクされたライブラリは、リンカーによってメモリ上にコピーされ、実行時に存在する必要がないため、読み込みが非常に速く、移植性も高いです。しかし、動的リンクライブラリの場合は、その名前だけがメモリに保存され、リンク処理は実行時に行われ、メモリと共有ライブラリファイルの両方がロードされます。

互換性

静的リンクでは、プログラム・ライブラリのどれかが変わっても互換性の問題はありません。なぜなら、すべてのコードが単一の実行可能モジュールに配置されているからです。ダイナミックリンクでは、あるライブラリの更新が必要な場合、他のライブラリとの互換性がなくなり、プログラムを動作させるためにすべてのアプリケーションを作り直す/適応させる必要があるかもしれません。

外部ライブラリ

静的にリンクされたプログラムの外部ライブラリのいずれかが変更されても、実行ファイルには影響しません。これは、完全に再コンパイルしてゼロからリンクし直した場合を除きます。ですから、プログラムにこれらの変更を認めさせたいのであれば、ゼロからリセットする必要があるのです。

しかし、ダイナミックリンクでは、共有ライブラリのどれかが変更されても、そのライブラリだけを「修正」すればよいので、プログラム全体を再コンパイルする必要はない

メモリ

静的リンクファイルは、外部プログラムを実行ファイルに変換するため、それぞれOSのメモリを占有するため、サイズが大きくなります。

しかし、動的リンクされたプログラムは、共有ライブラリのコピーが実行ファイル内に1つだけ保存されるため、ディスク容量が少なくて済みます。

プログラムステージ

静的リンクはコンパイルの最後に行われ、リンカーと呼ばれるプログラムによって行われるのに対し、実行時に行われるのはOSによるものである。

スタティックリンク：長所と短所

スタティックリンクの長所

• 実行時間の短縮- すべてのモジュールが1つの実行ファイルにコンパイルされるため、プログラムの実行が高速になります。
• メモリ管理の向上- スタティックリンクでは、すべてのモジュールが直接リンクされるため、メモリ管理を向上させることができます。
• 理解しやすく、実装しやすい - スタティックリンクによるコンパイルプロセスは、ダイナミックリンクに比べて手順が少ないため、シンプルです。
• プログラム・アーキテクチャのコントロールが可能 - 静的リンクの使用により、開発者はプログラムの構造をより自由にコントロールできるようになります。
• オーバーヘッドの削減- 静的リンクは、すべてのライブラリがすでにリンクされているため、プログラムの実行に必要なリソースの量を減らすことができます。
• コードの重複を防ぐ- 静的リンクは、プログラム間でコードが重複しないようにし、システムリソースをより効率的に使用することにつながります。

スタティックリンクの欠点

• デバッグやトラブルシューティングが難しい- 実行前にすでにモジュールがリンクされているため、エラーが発生した場合のデバッグやトラブルシューティングが難しい場合があります。
• ライブラリ間の互換性に制限がある - コンパイルされたプログラムの構造が固定されているため、非互換性により様々なライブラリを使用することが困難な場合があります。
• 動的リンクに比べてセキュリティが低い。静的リンクは、実行時に余分なロード時間がなく、すべてのコンポーネントを一度にロードする必要があるため、悪意のある悪用に対してより脆弱である。
• 実行時に変更できない- すべてのモジュールは1つの実行ファイルにコンパイルされるため、実行時に変更することはできません。
• 特定のライブラリとの非互換性 - 固定構造のため、静的リンクされたプログラムは、新しいライブラリをサポートしない場合があり、同じライブラリの異なるバージョン間の非互換性があります。
• メンテナンスが難しい- ライブラリやコンポーネントの新しいバージョンがリリースされると、静的にリンクされたプログラム内でどの部分を更新する必要があるのかを追跡するのが難しくなることがあります。

ダイナミック・リンク：長所と短所

ダイナミックリンクの長所

• ロード時間の短縮- コンポーネントは前もってロードされるのではなく、必要な時にのみロードされます。
• スケーラビリティの向上- モジュールはオンデマンドでロードされるため、ダイナミックリンクは、異なるハードウェアやオペレーティングシステムに対応するために、プログラムを簡単かつ効率的に拡張する方法を提供します。
• メンテナンスが容易 - ダイナミックリンクでは、コードを変更する場合、プログラム全体を再コンパイルすることなく、個々のコンポーネントを更新するだけで済みます。
• コードの分離- 動的にリンクされたコンポーネントは、異なるチームが互いに独立して開発・保守することができます。
• 移植性の向上 - ダイナミックリンクを使用したプログラムは、他のプラットフォームへの移植が容易に行えます。
• メモリ要件の削減- モジュールを使用する異なるプログラム間で共有されるため、より集中的なメモリリソースが必要となります。

ダイナミックリンクの欠点

• 脆弱性- ダイナミックリンクのモジュール化により、メインプログラムに変更があった場合、コンポーネントが正しくロードされなかったり、互換性のないライブラリが使用されたりする可能性があるためです。
• セキュリティリスク- 外部ライブラリに依存する場合、悪意のあるコードがシステムに注入されるリスクが高まります。
• 依存関係の問題- 欠損している、あるいは古い依存関係によってリンクが切れると、実行時に実行に問題が生じることがあります。
• パフォーマンスの低下- 実行時間中にダイナミックリンクライブラリが複数回呼び出された場合、特定の処理に時間がかかる場合があります。
• 信頼性の低いバージョン- サードパーティのライブラリを使用することは、その安定性と正確性をコントロールすることができないため、変更があればコードの出力の正しさに影響を及ぼす可能性があります。
• **異なるプラットフォーム間の互換性の問題は、アーキテクチャやオペレーティングシステムのバージョンの違いに起因する情報の転送中の困難やデバッグの問題を引き起こす可能性があります。

スタティックリンクとダイナミックリンクの違い：2つのリンクの選び方

どちらのリンク方式も開発者にさまざまなメリットをもたらす一方で、それぞれに制約があり、開発者はどちらの方式が自分のプロジェクトに最適なのかを判断することが難しい。

静的リンクは、コードを直接1つの実行ファイルにコンパイルするため、一般的に理解しやすく、実装も簡単です。実行時に余分なロード時間をかけることなく、すべてのモジュールが直接リンクされるため、実行時間の効率化とメモリ管理の改善が可能になります。しかし、この方法では、実行前にすでにモジュールがリンクされているため、エラーが発生した場合に開発者がプログラムをデバッグすることが難しくなる。

ダイナミック・リンクは、アプリケーションを実行する前に、個々のライブラリやモジュールを別々にメモリにロードすることができるため、デバッグに関してより柔軟性があります。各モジュールが別々にロードされるため、エラーの切り分けに役立ち、コードの可視性が高まるため、デバッグが非常に容易になります。さらに、動的リンクは、必要なコンポーネントだけが実行時にロードされるため、静的リンクよりも安全である傾向があり、悪意のある悪用がしにくい。

静的リンクと動的リンクのどちらを選択するかは、最終的には開発者としてのニーズを理解する必要があります。より高いセキュリティが必要な場合や、より高いデバッグ機能が必要な場合は、ダイナミックリンクの方がよいかもしれませんし、スピードや効率を優先する場合は、スタティックリンクが適しているかもしれません。どちらの方法にも独自の利点があるため、プロジェクトに最適な方法を決定する前に、あらゆる側面を考慮することが重要です。