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Linux編譯工具:gcc入門

1. 什麼是gcc

gcc的全稱是GUN Compiler Collection,它是一個能夠編譯多種語言的編譯器。最開始gcc是作為C語言的編譯器(GNU C Compiler),現在除了c語言,還支持C++、java、Pascal等語言。gcc支持多種硬件平台。

2. gcc的特點

  • gcc是一個可移植的編譯器,支持多種硬件平台。例如ARM、X86等等。
  • gcc不僅是個本地編譯器,它還能跨平台交叉編譯。所謂的本地編譯器,是指編譯出來的程序只能夠在本地環境進行運行。而gcc編譯出來的程序能夠在其他平台進行運行。例如嵌入式程序可在x86上編譯,然後在arm上運行。
  • gcc有多種語言前端,用於解析不同的語言。
  • gcc是按模塊化設計的,可以加入新語言和新CPU架構的支持。
  • gcc是自由軟件。任何人都可以使用或更改這個軟件。

3. gcc編譯程序的過程

gcc編譯程序主要經過四個過程:

  • 預處理(Pre-Processing)
  • 編譯 (Compiling)
  • 匯編 (Assembling)
  • 鏈接 (Linking)

預處理實際上是將頭文件、宏進行展開。編譯階段,gcc調用不同語言的編譯器,例如c語言調用編譯器ccl。gcc實際上是個工具鏈,在編譯程序的過程中調用不同的工具。匯編階段,gcc調用匯編器進行匯編。鏈接過程會將程序所需要的目標文件進行鏈接成可執行文件。匯編器生成的是可重定位的目標文件,學過操作系統,我們知道,在源程序中地址是從0開始的,這是一個相對地址,而程序真正在內存中運行時的地址肯定不是從0開始的,而且在編寫源代碼的時候也不能知道程序的絕對地址,所以重定位能夠將源代碼的代碼、變量等定位為內存具體地址。下面以一張圖來表示這個過程,注意過程中文件的後綴變化,編譯選項和這些後綴有關。

這是GCC編譯的四個步驟。

4. gcc常用選項

來看一下gcc常用選項

選項名 作用 -o 產生目標(.i、.s、.o、可執行文件等) -E 只運行C預編譯器 -S 告訴編譯器產生匯編程序文件後停止編譯,產生的匯編語言文件拓展名為.s -c 通知gcc取消連接步驟,即編譯源碼,並在最後生成目標文件 -Wall 使gcc對源文件的代碼有問題的地方發出警告 -Idir 將dir目錄加入搜索頭文件的目錄路徑 -Ldir 將dir目錄加入搜索庫的目錄路徑 -llib 連接lib庫 -g 在目標文件中嵌入調試信息,以便gdb之類的調試程序調試

現在我們有源文件hello.c,下面是一些gcc的使用示例:

gcc -E hello.c -o hello.i   對hello.c文件進行預處理,生成了hello.i 文件
gcc -S hello.i -o hello.s    對預處理文件進行編譯,生成了匯編文件
gcc -c hello.s -o hello.o  對匯編文件進行編譯,生成了目標文件
gcc hello.o -o hello 對目標文件進行鏈接,生成可執行文件
gcc hello.c -o hello 直接編譯鏈接成可執行目標文件
gcc -c hello.c 或 gcc -c hello.c -o hello.o 編譯生成可重定位目標文件

使用gcc時可以加上-Wall選項。下面這個例子如果不加上-Wall選項,編譯器不會報出任何錯誤或警告,但是程序的結果卻不是預期的:


//bad.c
#include<stdio.h>
int main()
{
    printf("the number is %f ",5);  //程序輸出了the number is 0.000000,結果錯誤
    return 0;
 }

使用-Wall選項:

gcc -Wall bad.c -o bad

gcc將輸出警告信息:

warning: format ‘%f’ expects argument of type ‘double’, but argument 2 has type ‘int’ [-Wformat=]
printf("the number is %f\n",5);

5. gcc編譯多個文件

假設現在有三個文件:hello.c hello.h main.c ,三個文件的內容如下:


// hello.c
#include<stdio.h>
#include"hello.h"
void printHello()
{
        printf("hello world!\n");
}

//main.c
#include<stdio.h>
#include"hello.h"
int main()
{
        printHello();
        return 0;
}
//hello.h
//僅包含函數聲明
#ifndef _HELLO_
#define _HELLO_
void printHello();
#endif

編譯這三個文件,可以一次編譯:

gcc hello.c main.c -o main 生成可執行文件main

也可以獨立編譯:

gcc -Wall -c main.c -o main.o
gcc -Wall -c hello.c -o hello.o
gcc -Wall main.o hello.o -o main

獨立編譯的好處是,當其中某個模塊發送改變時,只需要編譯該模塊就行,不必重新編譯所有文件,這樣可以節省編譯時間。

6. 使用外部庫

在使用C語言和其他語言進行程序設計的時候,我們需要頭文件來提供對常數的定義和對系統及庫函數調用的聲明。庫文件是一些預先編譯好的函數集合,那些函數都是按照可重用原則編寫的。它們通常由一組互相關聯的可重用原則編寫的,它們通常由一組互相關聯的用來完成某項常見工作的函數構成。使用庫的優點在於:

  • 模塊化的開發
  • 可重用性
  • 可維護性

庫又可以分為靜態庫與動態庫:

  • 靜態庫(.a):程序在編譯鏈接的時候把庫的代碼鏈接到可執行文件中。程序運行的時候將不再需要靜態庫。靜態庫比較占用磁盤空間,而且程序不可以共享靜態庫。運行時也是比較占內存的,因為每個程序都包含了一份靜態庫。

  • 動態庫(.so或.sa):程序在運行的時候才去鏈接共享庫的代碼,多個程序共享使用庫的代碼,這樣就減少了程序的體積。

一般頭文件或庫文件的位置在:

  • /usr/include及其子目錄底下的include文件夾
  • /usr/local/include及其子目錄底下的include文件夾
  • /usr/lib
  • /usr/local/lib
  • /lib

7. 生成靜態庫

為了生成.a文件,我們需要先生成.o文件。下面這行命令將我們的hello.o打包成靜態庫libhello.a:

ar rcs libhello.a hello.o

ar是gun歸檔工具,rcs表示replace and create,如果libhello之前存在,將創建新的libhello.a並將其替換。

然後就可以這樣來使用靜態庫libhello.a

gcc -Wall main.c libhello.a -o main

還有另外一種使用方式:

gcc -Wall -L. main.c -o main -lhello 【lhello 是 libhello的縮寫】

其中 -L.表示庫文件的位置在當前目錄下,由於libhello.a是我們自己生成的,並存放在當前錄下下,所以需要加上-L.選項。默認庫文件是在系統的目錄下進行搜索。同樣的,-I.選項用於頭文件的搜索。

8. 生成共享庫

生成一個共享庫,名稱的規則是libxxx.so。將剛才hello.o生成libhello.so的命令為:

gcc -shared -fPIC hello.o -o libhello.so

生成了共享庫之後,可以這樣來使用共享庫:

gcc -Wall main.o -o main -L. -lhello

該命令與使用靜態庫的命令相同,但是在共享庫與靜態庫共存的情況下,優先使用共享庫。

共享庫有時候並不不在當前的目錄下,為了讓gcc能夠找得到共享庫,有下面幾種方法:

  1. 拷貝.so文件到系統共享庫路徑下,一般指/usr/lib
  2. 在~/.bash_profile文件中,配置LD_LIBRARY_PATH變量
  3. 配置/etc/ld.so.conf,配置完成後調用ldconfig更新ld.so.cache

其中,shared選項表示生成共享庫格式。fPIC表示產生位置無關碼(position independent code),位置無關碼表示它的運行、加載與內存位置無關,可以在任何內存地址進行加載。

9. 庫的搜索路徑

庫的搜索路徑遵循幾個搜索原則:從左到右搜索-I -l指定的目錄,如果在這些目錄中找不到,那麼gcc會從由環境 變量指定的目錄進行查找。頭文件的環境變量是C_INCLUDE_PATH,庫的環境變量是LIBRARY_PATH.如果還是找不到,那麼會從系統指定指定的目錄進行搜索。

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