GCC 编译详解
GNU CC(简称为Gcc)是GNU项目中符合ANSI C标准的编译系统，能够编译用C、C++和Object C等语言编写的程序。Gcc不仅功能强大，而且可以编译如C、C++、Object C、Java、Fortran、Pascal、Modula-3和Ada等多种语言，而且Gcc又是一个交叉平台编译器，它能够在当前CPU平台上为多种不同体系结构的硬件平台开发软件，因此尤其适合在嵌入式领域的开发编译。本章中的示例，除非特别注明，否则均采用Gcc版本为4.0.0。
GCC入门基础
表3.6 Gcc所支持后缀名解释
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后 缀 名 |
所对应的语言 |
后 缀 名 |
所对应的语言 |
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.c |
C原始程序 |
.s/.S |
汇编语言原始程序 |
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.C/.cc/.cxx |
C++原始程序 |
.h |
预处理文件(头文件) |
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.m |
Objective-C原始程序 |
.o |
目标文件 |
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.i |
已经过预处理的C原始程序 |
.a/.so |
编译后的库文件 |
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.ii |
已经过预处理的C++原始程序 |
如本章开头提到的，Gcc的编译流程分为了四个步骤，分别为：
· 预处理(Pre-Processing)
· 编译(Compiling)
· 汇编(Assembling)
· 链接(Linking)
下面就具体来查看一下Gcc是如何完成四个步骤的。
首先，有以下hello.c源代码
#include<stdio.h> int main() { printf("Hello! This is our embedded world!n"); return 0; }
(1)预处理阶段
在该阶段，编译器将上述代码中的stdio.h编译进来，并且用户可以使用Gcc的选项”-E”进行查看，该选项的作用是让Gcc在预处理结束后停止编译过程。
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注意 |
Gcc指令的一般格式为：Gcc [选项] 要编译的文件 [选项] [目标文件] 其中，目标文件可缺省，Gcc默认生成可执行的文件，命为：编译文件.out |
[root@localhost Gcc]# Gcc –E hello.c –o hello.i
在此处，选项”-o”是指目标文件，由表3.6可知，”.i”文件为已经过预处理的C原始程序。以下列出了hello.i文件的部分内容：
typedef int (*__gconv_trans_fct) (struct __gconv_step *, struct __gconv_step_data *, void *, __const unsigned char *, __const unsigned char **, __const unsigned char *, unsigned char **, size_t *); … # 2 "hello.c" 2 int main() { printf("Hello! This is our embedded world!n"); return 0; }
由此可见，Gcc确实进行了预处理，它把”stdio.h”的内容插入到hello.i文件中。
(2)编译阶段
接下来进行的是编译阶段，在这个阶段中，Gcc首先要检查代码的规范性、是否有语法错误等，以确定代码的实际要做的工作，在检查无误后，Gcc把代码翻译成汇编语言。用户可以使用”-S”选项来进行查看，该选项仅编译到汇编语言，不进行汇编和链接，生成汇编代码。
[root@localhost Gcc]# Gcc –S hello.i –o hello.s
以下列出了hello.s的内容，可见Gcc已经将其转化为汇编了，感兴趣的读者可以分析一下这一行简单的C语言小程序是如何用汇编代码实现的。
.file "hello.c" .section .rodata .align 4 .LC0: .string"Hello! This is our embedded world!" .text .globl main .type main, @function main: pushl �p movl %esp, �p subl $8, %esp andl $-16, %esp movl $0, �x addl $15, �x addl $15, �x shrl $4, �x sall $4, �x subl �x, %esp subl $12, %esp pushl $.LC0 call puts addl $16, %esp movl $0, �x leave ret .size main, .-main .ident "GCC: (GNU) 4.0.0 20050519 (Red Hat 4.0.0-8)" .section .note.GNU-stack,"",@progbits
(3)汇编阶段
汇编阶段是把编译阶段生成的”.s”文件转成目标文件，读者在此可使用选项”-c”就可看到汇编代码已转化为”.o”的二进制目标代码了。如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –c hello.s –o hello.o
(4)链接阶段
在成功编译之后，就进入了链接阶段。在这里涉及到一个重要的概念：函数库。
读者可以重新查看这个小程序，在这个程序中并没有定义”printf”的函数实现，且在预编译中包含进的”stdio.h”中也只有该函数的声明，而没有定义函数的实现，那么，是在哪里实现”printf”函数的呢？最后的答案是：系统把这些函数实现都被做到名为libc.so.6的库文件中去了，在没有特别指定时，Gcc会到系统默认的搜索路径”/usr/lib”下进行查找，也就是链接到libc.so.6库函数中去，这样就能实现函数”printf”了，而这也就是链接的作用。
函数库一般分为静态库和动态库两种。静态库是指编译链接时，把库文件的代码全部加入到可执行文件中，因此生成的文件比较大，但在运行时也就不再需要库文件了。其后缀名一般为”.a”。动态库与之相反，在编译链接时并没有把库文件的代码加入到可执行文件中，而是在程序执行时由运行时链接文件加载库，这样可以节省系统的开销。动态库一般后缀名为”.so”，如前面所述的libc.so.6就是动态库。Gcc在编译时默认使用动态库。
完成了链接之后，Gcc就可以生成可执行文件，如下所示:
[root@localhost Gcc]# Gcc hello.o –o hello
运行该可执行文件，出现正确的结果如下:
[root@localhost Gcc]# ./hello
Hello! This is our embedded world!
Gcc编译选项分析
Gcc有超过100个的可用选项，主要包括总体选项、告警和出错选项、优化选项和体系结构相关选项。以下对每一类中最常用的选项进行讲解。
(1)总体选项
Gcc的总结选项如表3.7所示，很多在前面的示例中已经有所涉及。
表3.7 Gcc总体选项列表
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后缀名 |
所对应的语言 |
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-c |
只是编译不链接，生成目标文件“.o” |
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-S |
只是编译不汇编，生成汇编代码 |
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-E |
只进行预编译，不做其他处理 |
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-g |
在可执行程序中包含标准调试信息 |
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-o file |
把输出文件输出到file里 |
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-v |
打印出编译器内部编译各过程的命令行信息和编译器的版本 |
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-I dir |
在头文件的搜索路径列表中添加dir目录 |
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-L dir |
在库文件的搜索路径列表中添加dir目录 |
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-static |
链接静态库 |
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-llibrary |
连接名为library的库文件 |
对于“-c”、“-E”、“-o”、“-S”选项在前一小节中已经讲解了其使用方法，在此主要讲解另外两个非常常用的库依赖选项“-I dir”和“-L dir”。
· “-I dir”
正如上表中所述，“-I dir”选项可以在头文件的搜索路径列表中添加dir目录。由于Linux中头文件都默认放到了“/usr/include/”目录下，因此，当用户希望添加放置在其他位置的头文件时，就可以通过“-I dir”选项来指定，这样，Gcc就会到相应的位置查找对应的目录。
比如在“/root/workplace/Gcc”下有两个文件：
#include<my.h> int main() { printf(“Hello!!n”); return 0; }
#include<stdio.h>
这样，就可在Gcc命令行中加入“-I”选项：
[root@localhost Gcc] Gcc hello1.c –I /root/workplace/Gcc/ -o hello1
这样，Gcc就能够执行出正确结果。
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小知识 |
在include语句中，“<>”表示在标准路径中搜索头文件，““””表示在本目录中搜索。故在上例中，可把hello1.c的“#include<my.h>”改为“#include “my.h””，就不需要加上“-I”选项了。 |
· “-L dir”
选项“-L dir”的功能与“-I dir”类似，能够在库文件的搜索路径列表中添加dir目录。例如有程序hello_sq.c需要用到目录“/root/workplace/Gcc/lib”下的一个动态库libsunq.so，则只需键入如下命令即可：
[root@localhost Gcc] Gcc hello_sq.c –L /root/workplace/Gcc/lib –lsunq –o hello_sq
需要注意的是，“-I dir”和“-L dir”都只是指定了路径，而没有指定文件，因此不能在路径中包含文件名。
另外值得详细解释一下的是“-l”选项，它指示Gcc去连接库文件libsunq.so。由于在Linux下的库文件命名时有一个规定：必须以lib三个字母开头。因此在用-l选项指定链接的库文件名时可以省去lib三个字母。也就是说Gcc在对”-lsunq”进行处理时，会自动去链接名为libsunq.so的文件。
(2)告警和出错选项
Gcc的告警和出错选项如表3.8所示。
表3.8 Gcc总体选项列表
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选项 |
含义 |
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-ansi |
支持符合ANSI标准的C程序 |
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-pedantic |
允许发出ANSI C标准所列的全部警告信息 |
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选项 |
含义 |
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-pedantic-error |
允许发出ANSI C标准所列的全部错误信息 |
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-w |
关闭所有告警 |
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-Wall |
允许发出Gcc提供的所有有用的报警信息 |
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-werror |
把所有的告警信息转化为错误信息，并在告警发生时终止编译过程 |
下面结合实例对这几个告警和出错选项进行简单的讲解。
如有以下程序段：
#include<stdio.h> void main() { long long tmp = 1; printf(“This is a bad code!n”); return 0; }
这是一个很糟糕的程序，读者可以考虑一下有哪些问题？
· “-ansi”
该选项强制Gcc生成标准语法所要求的告警信息，尽管这还并不能保证所有没有警告的程序都是符合ANSI C标准的。运行结果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –ansi warning.c –o warning
warning.c: 在函数“main”中：
warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，“return”带返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”
=====>可以看出，该选项并没有发现”long long”这个无效数据类型的错误。
· “-pedantic”
允许发出ANSI C标准所列的全部警告信息，同样也保证所有没有警告的程序都是符合ANSI C标准的。其运行结果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –pedantic warning.c –o warning
warning.c: 在函数“main”中：
warning.c:5 警告：ISO C90不支持“long long”
warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，“return”带返回值
warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”
=====>可以看出，使用该选项查看出了”long long”这个无效数据类型的错误。
· “-Wall”
允许发出Gcc能够提供的所有有用的报警信息。该选项的运行结果如下所示：
[root@localhost Gcc]# Gcc –Wall warning.c –o warning
warning.c:4 警告：“main”的返回类型不是“int”
warning.c: 在函数”main”中：
warning.c:7 警告：在无返回值的函数中，”return”带返回值
warning.c:5 警告：未使用的变量“tmp”
=====>使用“-Wall”选项找出了未使用的变量tmp，但它并没有找出无效数据类型的错误。
.“-Wextra”
我们使用-Wall选项并不能输出所有的警告信息，如下面的警告信息会被忽略，可以使用Wextra来指定显示额外的信息：
- 忘记参数类型
- 指针与整数零的逻辑比较
- 有歧义的虚基类
.“-Wshadow”
当局部变量遮蔽(shadow)了参数、全局变量或者是其他局部变量时，该警告选项会给我们以警告信息。
另外，Gcc还可以利用选项对单独的常见错误分别指定警告，有关具体选项的含义感兴趣的读者可以查看Gcc手册进行学习。
.“-Wcomment”
当'/*'出现在 '/* ... */'注释中，或者'\'出现在'// ...'注释结尾处时，使用-Wcomment会给出警告。
#include <stdio.h> int main() { int a = 1; int b = 2; int c = 0; // ok just test\ c = a + b; /*
* 这里我们期待c = 3
* /* 但实际上输出c = 0
*/ printf("the c is %d\n", c); return 0; }
[root@localhost Gcc]# Gcc –Wcomment warning.c –o warning
输出：
the c is 0
(3)优化选项
Gcc可以对代码进行优化，它通过编译选项“-On”来控制优化代码的生成，其中n是一个代表优化级别的整数。对于不同版本的Gcc来讲，n的取值范围及其对应的优化效果可能并不完全相同，比较典型的范围是从0变化到2或3。
不同的优化级别对应不同的优化处理工作。如使用优化选项“-O”主要进行线程跳转(Thread Jump)和延迟退栈(Deferred Stack Pops)两种优化。使用优化选项“-O2”除了完成所有“-O1”级别的优化之外，同时还要进行一些额外的调整工作，如处理器指令调度等。选项“-O3”则还包括循环展开和其他一些与处理器特性相关的优化工作。
虽然优化选项可以加速代码的运行速度，但对于调试而言将是一个很大的挑战。因为代码在经过优化之后，原先在源程序中声明和使用的变量很可能不再使用，控制流也可能会突然跳转到意外的地方，循环语句也有可能因为循环展开而变得到处都有，所有这些对调试来讲都将是一场噩梦。所以笔者建议在调试的时候最好不使用任何优化选项，只有当程序在最终发行的时候才考虑对其进行优化。
(4)体系结构相关选项
Gcc的体系结构相关选项如表3.9所示。
表3.9Gcc体系结构相关选项列表
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选项 |
含义 |
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-mcpu=type |
针对不同的CPU使用相应的CPU指令。可选择的type有i386、i486、pentium及i686等 |
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-mieee-fp |
使用IEEE标准进行浮点数的比较 |
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-mno-ieee-fp |
不使用IEEE标准进行浮点数的比较 |
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-msoft-float |
输出包含浮点库调用的目标代码 |
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-mshort |
把int类型作为16位处理，相当于short int |
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-mrtd |
强行将函数参数个数固定的函数用ret NUM返回，节省调用函数的一条指令 |
这些体系结构相关选项在嵌入式的设计中会有较多的应用，读者需根据不同体系结构将对应的选项进行组合处理。在本书后面涉及到具体实例会有针对性的讲解。
