gcc 入门

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GCC 编译器在编译一个C语言程序时需要经过以下 4 步：

  1. 将C语言源程序预处理，生成.i文件。
  2. 预处理后的.i文件编译成为汇编语言，生成.s文件。
  3. 将汇编语言文件经过汇编，生成目标文件.o文件。
  4. 将各个模块的.o文件链接起来生成一个可执行程序文件。


GCC 编译流程如下图所示：

 

 

 .i文件、.s文件、.o文件可以认为是中间文件或临时文件，如果使用 GCC 一次性完成C语言程序的编译，那么只能看到最终的可执行文件，这些中间文件都是看不到的，因为 GCC 已经经它们删除了。

GCC 是一个功能强大的编译器，其编译选项非常多，有些选项通常不会用到。
CCC 从最初的一个试验型的玩具发展到现在 Linux 环境下的标准编译器，其命令选项也从最开始的 4 个发展到了现在的上千个。本节只介绍常用的 GCC 编译选项。

 gcc 常用选项汇总

gcc 是一个功能强大的编译器，其编译选项非常多。有些选项一般程序员根本不会用到。因此将所有的编译选项全部列出讲解是不明智的。下面只对一些 gcc 编译器的常 用选项进行详细的讲解，这些选项在实际编程过程中非常实用。gcc 的常用选项如下表所示。

表：GCC常用的编译选项
gcc编译选项 选项的意义
-c 编译、汇编指定的源文件，但是不进行链接
-S 编译指定的源文件，但是不进行汇编
-E 预处理指定的源文件，不进行编译
-o [file1] [file2] 将文件 file2 编译成可执行文件 file1
-I directory 指定 include 包含文件的搜索目录
-g 生成调试信息，该程序可以被调试器调试
 

注意：gcc 编译选项会区分大小写。因此-o选项和-O选项的效果是不一样的。前者表示源文件编译成为可执行文件，后者表示将源文件编译成为可执行文件并且进行一级优化。

由于篇幅限制，本节只介绍几个简单的选项，复杂的选项会在后面几节中详细讲解。

-S

将C语言源文件编译为汇编语言，但是并不汇编该程序。使用该选项，我们可以查看C语言代码对应的汇编代码。

-E 选项

-E选项将C语言源文件进行预处理，但是并不编译该程序。对于一般的预处理问题，可以使用这个选项进行查看，例如，宏的展开问题、文件的包含问题等。

-I 选项

由于指定包含的头文件的目录，这一点对于大型的代码组织来说是很有用的。

-g 选项

-g选项可生成能被 gdb 调试器所使用的调试信息。只有使用了该选项后生成的可执行文件，才带有程序中引用的符号表。这时 gdb 调试程序才能对该可执行程序进行调试。

还有另一个 GCC 选项，可以方便地一次获得全部的中间输出文件，这就是-save-temps。当使用该选项时，GCC 会正常地编译和链接，但是会把预处理器输出、汇编语言和对象文件全部存储在当前目录下。使用 -save-temps 选项所生成的中间文件，与对应的源文件具有相同的文件名，但文件扩展名分别为.i、.s和.o，分别表示为预处理输出、汇编语言输出和对象文件。

 

-c 参数

-c选项表示编译、汇编指定的源文件（也就是编译源文件），但是不进行链接。使用-c选项可以将每一个源文件编译成对应的目标文件。

目标文件是一种中间文件或者临时文件，如果不设置该选项，gcc 一般不会保留目标文件，可执行文件生成完成后就自动删除了。

下面实例演示了 gcc -c 选项的用法。

$gcc -c test1.c test2.c test3.c
$ls -l *.o
-rwxr--r--  1  root  23  Feb  7  02:57  test1.o
-rwxr--r--  1  root  17  Feb  7  02:57  test2.o
-rwxr--r--  1  root  20  Feb  7  02:57  test3.o


如果不使用-c选项，则仅仅生成一个可执行文件，没有目标文件。

注意，使用-c选项表示只编译源文件，而不进行链接，因此，对于链接中的错误是无法发现的。

下面例子演示了 gcc 编译器在使用-c选项的时候不会发现链接错误。

1) 编写如下的两个源文件。

在 func.c 中定义了 func_a() 函数：

  1. #include <stdio.h>
  2. void func_a(){
  3. printf("FUNC_A\n");
  4. }


在 main.c 中调用了 func_a() 和 func_b() 函数：

  1. #include <stdio.h>
  2. int main(void)
  3. {
  4. func_a();
  5. func_b();
  6. return 0;
  7. }


func_b() 函数并没有定义，所以在链接时会产生错误（编译时不会产生错误）。

2) 使用-c选项编译两个源文件，如下所示：

$gcc -c func.c main.c

编译器没有输出任何错误信息。

3) 不使用-c选项编译两个源文件：

$gcc func.c main.c

会看到如下的报错信息：

/tmp/ccLlOhvh.o：在函数‘main’中：
main.c:(.text+0x14)：对‘func_b’未定义的引用
collect2: 错误：ld 返回 1

由于没有找到 func_b() 函数的定义，所以发生了链接错误。

GCG -o选项用来指定输出文件，它的用法为：

[infile] -o [outfile]

[infile] 表示输入文件（也即要处理的文件），它可以是源文件，也可以是汇编文件或者是目标文件；[outfile] 表示输出文件（也即处理的结果），它可以是预处理文件、目标文件、可执行文件等。

[infile] 和 [outfile] 可以是一个文件，也可以是一组文件：

  • 如果 [infile] 是一组文件，那么就表示有多个输入文件；
  • 如果 [outfile] 是一组文件，那么就表示有多个输出文件。


如果不使用 -o 选项，那么将采用默认的输出文件，例如，把可执行文件作为输出文件，它的名字默认为 a.out。

GCC -o选项使用举例

1) 将源文件作为输入文件，将可执行文件作为输出文件，也即完整地编译整个程序：

$ gcc main.c func.c -o app.out

将 main.c 和 func.c 两个源文件编译成一个可执行文件，其名字为 app.out。如果不使用 -o 选项，那么将生成名字为 a.out 的可执行文件。

2) 将源文件作为输入文件，将目标文件作为输出文件，也即只编译不链接：

$ gcc -c main.c -o a.o

将源文件 main.c 编译为目标文件 a.o。如果不使用 -o 选项，那么将生成名为 main.o 的目标文件。

3) 将源文件作为输入文件，将预处理文件作为输出文件，也即只进行预处理操作：

$ gcc -E main.c -o demo.i

对源文件 main.c 进行预处理操作，并将结果放在 demo.i 文件中。如果不使用 -o 选项，那么将生成名为 main.i 的预处理文件。

4) 将目标文件作为输入文件，将可执行文件作为输出文件：

$ gcc -c func.c main.c
$ gcc func.o main.o -o app.out

第一条命令只编译不链接，将生成 func.o 和 main.o 两个目标文件。第二条命令将生成的两个目标文件生成最终的可执行文件 app.out。如果不使用 -o 选项，那么将生成名字为 a.out 的可执行文件。

C语言代码在交给编译器之前，会先由预处理器进行一些文本替换方面的操作，例如宏展开、文件包含、删除部分代码等。

在正常的情况下，GCC 不会保留预处理阶段的输出文件，也即.i文件。然而，可以利用-E选项保留预处理器的输出文件，以用于诊断代码。-E选项指示 GCC 在预处理完毕之后即可停止。

默认情况下，预处理器的输出会被导入到标准输出流（也就是显示器），可以利用-o选项把它导入到某个输出文件：

$ gcc -E circle.c -o circle.i

表示把预处理的结果导出到 circle.i 文件。

因为头文件可能相当大，如果源文件包括了多个头文件，那么它的预处理器输出可能会庞杂难读。使用-C选项会很有帮助，这个选项可以阻止预处理器删除源文件和头文件中的注释：

$ gcc -E -C circle.c -o circle.c

注意，这里是大写的 -C，不是小写的 -c。小写的 -c 表示只编译不链接。

下面是 GCC 预处理器阶段常用的选项：

-Dname[=definition]

在处理源文件之前，先定义宏 name。宏 name 必须是在源文件和头文件中都没有被定义过的。将该选项搭配源代码中的#ifdef name命令使用，可以实现条件式编译。如果没有指定一个替换的值，该宏被定义为值 1。

-Uname

如果在命令行或 GCC 默认设置中定义过宏 name，则“取消”name 的定义。-D和-U选项会依据在命令行中出现的先后顺序进行处理。

-Idirectory[:directory[...]]

当通过 #include 命令把所需的头文件包括进源代码中时，除系统标准 include 目录之外，指定其他的目录对这些头文件进行搜索。

-iquote directory[:directory[...]]

这是在最近 GCC 版本中新增的选项，它为在 #include 命令中采用引号而非尖括号指定的头文件指定搜索目录。

-isystem directory[:directory[...]]

该选项在标准系统 include 目录以外为系统头文件指定搜索目录，且它指定的目录优先于标准系统 include 目录被搜索。在目录说明开头位置的等号，被视作系统根目录的占位符，可以使用--sysroot或-isysroot选项来修改它。

-isysroot directory

该选项指定搜索头文件时的系统根目录。例如，如果编译器通常在 /usr/include 目录及其子目录下搜索系统头文件，则该选项将引导到 directory/usr/include 及其子目录下进行搜索。

--sysroot选项，采用一个连字符替代 i，它为链接库搜索而不是头文件搜索指定系统根目录以外的目录。如果 isysroot 不可用，则 sysroot 既为头文件又为链接库搜索指定目录。

-I-

在较新版本的 GCC 中，该选项被-iquote替代。在旧版本中，该选项用于将命令行的所有-Idirectory选项分割为两组。所有在-I-左边加上-I选项的目录，被视为等同于采用-iquote选项；这指的是，它们只对 #include 命令中采用引号的头文件名进行搜索。

所有在-I-右边加上-I选项的目录，将对所有 #include 命令中的头文件名进行搜索，无论文件名是在引号还是尖括号中。

而且，如果命令行中出现了-I-，那么包括源文件本身的目录不再自动作为搜索头文件的目录。

对于include目录而言，通常的搜索顺序是：
  1. 包含指定源文件的目录（对于在 #include 命令中以引号包括的文件名）。
  2. 采用-iquote选项指定的目录，依照出现在命令行中的顺序进行搜索。只对 #include 命令中采用引号的头文件名进行搜索。
  3. 采用-I选型指定的目录，依照出现在命令行中的顺序进行搜索。
  4. 采用环境变量 CPATH 指定的目录。
  5. 采用-isystem选项指定的目录，依照出现在命令行中的顺序进行搜索。
  6. 采用环境变量 C_INCLUDE_PATH 指定的目录。
  7. 系统默认的 include 目录。
编译器的核心任务是把C程序翻译成机器的汇编语言（assembly language）。汇编语言是人类可以阅读的编程语言，也是相当接近实际机器码的语言。由此导致每种 CPU 架构都有不同的汇编语言。
实际上，GCC 是一个适合多种 CPU 架构的编译器，不会把C程序语句直接翻译成目标机器的汇编语言，而是在输入语言和输出汇编语言之间，利用一个中间语言，称为 RegisterTransfer Language（简称 RTL，寄存器传输语言）。借助于这个抽象层，在任何背景下，编译器可以选择最经济的方式对给定的操作编码。

而且，在交互文件中针对目标机器的抽象描述，为编译器重新定向到新架构提供了一个结构化的方式。但是，从 GCC 用户角度来看，我们可以忽略这个中间步骤。
通常情况下，GCC 把汇编语言输出存储到临时文件中，并且在汇编器执行完后立刻删除它们。但是可以使用-S选项，让编译程序在生成汇编语言输出之后立刻停止。

如果没有指定输出文件名，那么采用-S选项的 GCC 编译过程会为每个被编译的输入文件生成以.s作为后缀的汇编语言文件。如下例所示：

$ gcc -S circle.c

编译器预处理 circle.c，将其翻译成汇编语言，并将结果存储在 circle.s 文件中。

如果想把C语言变量的名称作为汇编语言语句中的注释，可以加上-fverbose-asm选项：

$ gcc -S -fverbose-asm circle.c

链接器把多个二进制的目标文件（object file）链接成一个单独的可执行文件。在链接过程中，它必须把符号（变量名、函数名等一些列标识符）用对应的数据的内存地址（变量地址、函数地址等）替代，以完成程序中多个模块的外部引用。

而且，链接器也必须将程序中所用到的所有C标准库函数加入其中。对于链接器而言，链接库不过是一个具有许多目标文件的集合，它们在一个文件中以方便处理。

当把程序链接到一个链接库时，只会链接程序所用到的函数的目标文件。在已编译的目标文件之外，如果创建自己的链接库，可以使用 ar 命令。

标准库的大部分函数通常放在文件 libc.a 中（文件名后缀.a代表“achieve”，译为“获取”），或者放在用于共享的动态链接文件 libc.so 中（文件名后缀.so代表“share object”，译为“共享对象”）。这些链接库一般位于 /lib/ 或 /usr/lib/，或者位于 GCC 默认搜索的其他目录。

当使用 GCC 编译和链接程序时，GCC 默认会链接 libc.a 或者 libc.so，但是对于其他的库（例如非标准库、第三方库等），就需要手动添加。

令人惊讶的是，标准头文件 <math.h> 对应的数学库默认也不会被链接，如果没有手动将它添加进来，就会发生函数未定义错误。

GCC 的-l选项可以让我们手动添加链接库。下面我们编写一个数学程序 main.c，并使用到了 cos() 函数，它位于 <math.h> 头文件。

  1. #include <stdio.h> /* printf */
  2. #include <math.h> /* cos */
  3. #define PI 3.14159265
  4. int main ()
  5. {
  6. double param, result;
  7. param = 60.0;
  8. result = cos ( param * PI / 180.0 );
  9. printf ("The cosine of %f degrees is %f.\n", param, result );
  10. return 0;
  11. }

为了编译这个 main.c，必须使用-l选项，以链接数学库：

$ gcc main.c -o main.out -lm

数学库的文件名是 libm.a。前缀lib和后缀.a是标准的，m是基本名称，GCC 会在-l选项后紧跟着的基本名称的基础上自动添加这些前缀、后缀，本例中，基本名称为 m。

在支持动态链接的系统上，GCC 自动使用在 Darwin 上的共享链接库 libm.so 或 libm.dylib。

链接其它目录中的库

通常，GCC 会自动在标准库目录中搜索文件，例如 /usr/lib，如果想链接其它目录中的库，就得特别指明。有三种方式可以链接在 GCC 搜索路径以外的链接库，下面我们分别讲解。

1) 把链接库作为一般的目标文件，为 GCC 指定该链接库的完整路径与文件名。

例如，如果链接库名为 libm.a，并且位于 /usr/lib 目录，那么下面的命令会让 GCC 编译 main.c，然后将 libm.a 链接到 main.o：

$ gcc main.c -o main.out /usr/lib/libm.a


2) 使用-L选项，为 GCC 增加另一个搜索链接库的目录：

$ gcc main.c -o main.out -L/usr/lib -lm

可以使用多个-L选项，或者在一个-L选项内使用冒号分割的路径列表。

3) 把包括所需链接库的目录加到环境变量 LIBRARYPATH 中。

 

编译多个源代码文件会生成多个目标文件，每个目标文件都包含一个源文件的机器码和相关数据的符号表。除非使用-c选项指示 GCC 只编译不链接，否则 GCC 会使用临时文件作为目标文件输出：

$ gcc -c main.c
$ gcc -c func.c

这些命令会在当前目录中生成两个目标文件，分别是 main.o 和 func.o。把两个源文件名放在同一个 GCC 命令中，也可以获得同样的结果：

$ gcc -c main.c func.c

然而，实际上编译器通常每次只会被调用来完成一件小型任务。大的程序包含许多源文件，在开发期间必须被编译、测试、编辑，然后再编译，很少会有在创建中的修改行为会影响所有的源文件。为了节省时间，可以使用 make 控制创建过程，由它调用编译器重新编译，而且只编译比对应的最新源文件旧的那些目标文件。

一旦所有当前源文件都被编译为目标文件，就可以使用 GCC 来链接它们：

$ gcc main.o func.o -o app.out -lm

GCC 假设扩展名为.o的文件是要被链接的目标文件。

文件类型

编译器支持许多和C语言程序相关的扩展名，对它们的说明如下：

扩展名（后缀） 说明
.c C程序源代码，在编译之前要先进行预处理。
.i C程序预处理输出，可以被编译。
.h C程序头文件。（为了节省时间，许多源文件会包含相同的头文件，GCC 允许事先编译好头文件，称为“预编译头文件”，它合适情况下自动被用于编译。）
.s 汇编语言。
.S 有C命令的汇编语言，在汇编之前必须先进行预处理。


GCC 也支持以下扩展名：.ii、.cc、.cp、.cxx、.cpp、.CPP、.c++、.C、.hh、.H、.m、.mi、.f、.for、.FOR、.F、.fpp、.FPP、.r、.ads 和 .adb。这些文件类型涉及 C++、Objective-C、Fortran 或 Ada 等程序的编译。使用其他扩展名的文件会被视为对象文件，以作为链接之用。

如果使用其他命名惯例为输入文件命名，可以使用-x file_type选项来指示 GCC 应该如何对待这些文件。file_type 必须是下面其中之一：c、c-header、cpp-output、assembler（表示该文件包含汇编语言）、assembler-with-cpp 或 none。

在命令行中，-x后面所列的所有文件都会被视为所指定的类型。如果想改变类型，可以再次使用-x。如下例所示：

$ gcc -o bigprg mainpart.c -x assembler trickypart.asm -x c otherpart.c

可以在同一个命令行中多次使用-x选项，以指示不同类型的文件。-x none选项会全部取消这些指示，后续文件会按照 GCC 默认规则解释它们的扩展名。

混合输入类型

可以在 GCC 命令行中混合使用其他输入文件类型。如果编译器不能按照请求处理指定的文件，那么它会忽略它们。如下例所示：

$ gcc main.c func.o -o app.out -lm

借助于这个命令，假设指定的文件都存在，GCC 会编译和汇编 main.c，汇编 func.o，并且链接库文件 libm.a。

 

Linux 下动态链接库（shared object file，共享对象文件）的文件后缀为.so，它是一种特殊的目标文件（object file），可以在程序运行时被加载（链接）进来。使用动态链接库的优点是：程序的可执行文件更小，便于程序的模块化以及更新，同时，有效内存的使用效率更高。

GCC 生成动态链接库

如果想创建一个动态链接库，可以使用 GCC 的-shared选项。输入文件可以是源文件、汇编文件或者目标文件。

另外还得结合-fPIC选项。-fPIC 选项作用于编译阶段，告诉编译器产生与位置无关代码（Position-Independent Code）；这样一来，产生的代码中就没有绝对地址了，全部使用相对地址，所以代码可以被加载器加载到内存的任意位置，都可以正确的执行。这正是共享库所要求的，共享库被加载时，在内存的位置不是固定的。

例如，从源文件生成动态链接库：

$ gcc -fPIC -shared func.c -o libfunc.so

从目标文件生成动态链接库：

$ gcc -fPIC -c func.c -o func.o
$ gcc -shared func.o -o libfunc.so

-fPIC 选项作用于编译阶段，在生成目标文件时就得使用该选项，以生成位置无关的代码。

GCC 将动态链接库链接到可执行文件

如果希望将一个动态链接库链接到可执行文件，那么需要在命令行中列出动态链接库的名称，具体方式和普通的源文件、目标文件一样。请看下面的例子：

$ gcc main.c libfunc.so -o app.out

将 main.c 和 libfunc.so 一起编译成 app.out，当 app.out 运行时，会动态地加载链接库 libfunc.so。

当然，必须要确保程序在运行时可以找到这个动态链接库。你可以将链接库放到标准目录下，例如 /usr/lib，或者设置一个合适的环境变量，例如 LIBRARY_PATH。不同系统，具有不同的加载链接库的方法。

 

posted @ 2019-10-16 20:32  逐梦客！  阅读(769)  评论(0)    收藏  举报