解读gcc和g++编译器分别对c与c++文件影响

1. 概述

为什么需要解读gcc/g++编译器对c/c++文件的影响呢？由于系统内核一般是使用C语言来编写的，系统内核中用C语言实现了很多库。而上层应用程序有可能是用C++来开发，如果在内核库函数头文件中不用extern“C”来声明库函数的话，在编写C++应用程序时，包含库头文件，在C++文件链接时就会以C++标准来链接库的函数名，而在库文件实现时是用C来实现的，二者函数名不同，在链接时就会出现找不到函数的现象。

1. 实验环境

本次实验平台：Debian 9.4   gcc/g++版本：6.3.0   IDE环境：Qt Creator 4.2.0  qmake版本：3.0。这里可以看到最新的Debian系统对软件版本更新也是很及时的，对于电脑不能上外网情况，debian与centos都推出了离线包，两个系统都使用了很长一段时间，这里还是给大家推荐centos，centos很多东西是继（chao）承（xi）红帽的，可能是这个原因，所以centos很稳定、bug少。

1. 编译步骤

编译器一般可分为预处理、编译、汇编、链接四个阶段，GNU手册也做了介绍，手册如图 1所示。

图 1

1. 预处理：将宏定义展开，将相关和类型定义引入等操作，生成后缀为.i的预处理文件。
2. 编译：将预处理文件编译成汇编文件，生成后缀.S的汇编文件。
3. 汇编：将汇编文件编译成目标文件，生成后缀为.o的目标文件。
4. 链接：将各个.o文件与相关库文件进行链接，链接方式可以选择静态或动态链接。

上面是标准的面经，同时也是网上最容易搜索到的答案，但实质根本没理解gcc/g++编译。从上述面经来看，感觉就是gcc只能编译c程序，g++只能编译c++程序。gcc/g++编译c/c++程序可以分为四种情况，gcc编译.c程序，gcc编译.cpp程序，g++编译.c程序，g++编译.cpp程序。下面通过对比这四种情况来真正了解gcc/g++编译器。

1. gcc/g++编译.c文件

为了彻底理解清楚两种之间的区别，下面通过编译的几个阶段去解读，test.c文件如图 2所示，这里需要注意，在test.c中我没有引入c++头文件和语法，如果用gcc编译，那么就连万里长征第一步预编译都不能通过，有且仅有当用gcc编译.c文件时，编译器才会按照C文件规则进行预编译，这里提前提出结论。为了更好的对比，对比.c文件代码中采用c规则。

图 2

 

 

1. 1. 预编译处理

使用gcc和g++分别对test.c进行预处理，执行结果如图 3所示。

图 3

从图中可以看到24c24等字符，c代表转换意思，前后数字代表行数，前后出现一对数字代表行号区间。同时可以看到g++预编译.c文件时候，会在部分头文件和类型定义前添加extern “C”，这个标识符的作用把标识符作用域的数据类型采用gcc去编译，C++保留了一部分过程式语言的特点（被世人称为“不彻底地面向对象”），因而它可以定义不属于任何类的全局变量和函数。但是，C++毕竟是一种面向对象的程序设计语言，为了支持函数的重载，C++对全局函数的处理方式与C有明显的不同。

1. 1. 编译阶段

编译阶段是把.i文件编译成汇编文件，编译过程和结果如图 4所示。

图 4

通过图中对比发现，只有程序中自定义的函数接口命中不一样，其它代码完全一样。gcc编译器编译后的函数名字和编译前函数名一致（有些可能是在函数前面添加_，具体机制是跟编译机制有关），g++编译器是在函数中添加_z3*ii。这里其它代码相同原因是程序中使用的语法c++是部分兼容c的，上图仅仅代表是一种特殊情况，因为.c文件中全部采用的c语法规则。

1. 1. 汇编阶段

程序处于汇编阶段时，gcc/g++内部都是调用as汇编命令，在这里两者是没有区别的，可以通过如下命令做测试，用c++_test.S做测试对比。

gcc -c c++_test.S -o c_test.o

g++ -c c++_test.S -o c++_test.o

diff c_test.o c++_test.o

通过对比试验，两个.o文件完全一样，在汇编阶段gcc/g++的作用是一样的，读者可以尽情做实验。

1. 1. 链接阶段

gcc/g++都是调用ld命令，同样两种区别在于传入的参数与调用库的不同，g++默认与c++库链接（兼容C语言部分，还是调用C库），gcc默认是与c库链接。实验是检验真理的最好工具，下面同样选取c++_test.o做实验。

gcc c++_test.o -o c_test

g++ c++_test.o -o c++_test

diff c_test c++_test

通过diff对比，两个可执行文件内容不一样的。通过strace跟踪系统调用结果如图 5所示。可以清晰看到两者仅仅是一些mmap地址映射不一样，即使两次用g++编译相同文件，可能生成的文件也不一样，这个不一样仅仅体现在地址映射上。

图 5

1. gcc/g++编译.cpp文件

编译cpp文件同样通过四个阶段做比对，同时还和编译.c文件得出的结论做对比，test.cpp文件内容如图 6所示。

图 6

复制test.cpp文件为test.c文件，然后进行四个阶段做对比。

1. 1. 预编译

g++ -E test.c -o test.ii

g++ -E test.cpp -o c++_test.ii

gcc -E test.cpp -o c_test.i

这里保存为.ii或者.i都是无所谓的，只有当预编译的输出需要手动指定作为编译阶段的输入（-x选项指定输入文件类型），并且没有指定编译阶段输入是什么类型文件，那么编译器就会根据系统自定义的后缀去解析，默认编译器会把.i后缀当成c预编译的结果，.ii后缀当成是c++预编译的结果。通过对比这个3个.i文件发现预编译结果完全一样，只有文件名不同，test.c与test.cpp的区别。

1. 编译

gcc -S test.cpp -o c_test.S

g++ -S test.cpp -o c++_test.S

g++ -S test.c -o test.S

编译结果如图 7所示。生成的.S文件内容又是完全一样，只有.file不一样，这个标识符是指文件名，1c1代表第一个文件的第一行与第二个文件的第一行转换关系。

图 7

1. 1. 汇编

gcc -c test.cpp -o c_test.o

g++ -c test.cpp -o c++_test.o

g++ -c test.c -o test.o

汇编阶段结果同样是一致。

1. 1. 链接

g++ test.cpp -o c++_test

g++ test.c -o test

objdump -S test > test.obj

objdump -S c++_test > c++_test.obj

这两种编译结果通过查看二进制只有文件名是不一样的，两种方式都装载了libstdc++.so.6和libc.so.6库文件，这是g++兼容c的另外一个表现；同样可以通过反编译手段对比两个二进制文件，对比结果如图 8所示，两个obj文件同样只有文件名不一样。

图 8

还剩下一种情况没有对比，那就是gcc链接.cpp文件。

gcc c_test.o -o c_test

链接不能正常通过的，提示找不到c++库。由于链接阶段gcc不能够自动链接c++库，g++可以自动链接c++库，如果加上-lstdc++选项就能够正常编译通过。

gcc c_test.o -o c_test -lstdc++

同样可以对比c_test  与c++_test文件，但是读者会发现，这两个文件肯定不一样。我们通过反编译手段观察两个文件的区别，同样仅仅是地址不一样，比如_init地址不一样等。图 9是我截取的局部反编译对比图。程序最先从_init中rsp堆栈指针顶开始做堆栈处理，然后跳转到程序中我们看到的main函数入口地址，进入函数之前先保存栈指针，在进行push，程序中在跳转到add函数的的地址，最后程序执行完成在_fini中恢复栈平衡。（大概思路是这样的，已经三年没有碰过底层地址相关的知识，凭记忆补充一点相关知识。在嵌入式开发过程中有几个地方需要用到地址概念，uboot链接脚本确定程序第一条指令入口、编译文件顺序、位置无关地址跳转问题，栈顶设置；加载linux地址时分析相对复杂一点，编译kernel需要指定入uImage或zImage入口地址，uImage与zImage仅仅相差64Bytes头，这里牵扯到解压kernel，代码搬运等操作）。

图 9

通过上面两个对比实现可以得出如下结论：

1. 后缀为.c的，gcc把它当成c程序；g++当作c++程序，即跟.cpp没有区别。
2. 后缀.cpp的，gcc与g++都当成c++程序。
3. gcc不能自动链接c++库，g++会自动链接c++库。
4. c++程序中，预编译后会存在extern “C”标识符，即是用gcc按照c程序规则编译，这是兼容C程序的表现。
5. gcc也可以编译c++程序。
6. gcc编译.c文件，.c文件中一定不能出现c++语法和库操作。

1. __cplusplus测试

如果编译器按照c++规则编译，那么这个宏__cplusplus就会被编译器定义。上面已经得出结论了，下面通过这个宏定义再次验证上面1、2结论。test.c与test.cpp文件内容如图 10所示，依次执行如下命令。

gcc test.c && ./a.out        @结果是：a+b=1314

g++ test.c && ./a.out        @结果是：a+b=520

gcc test.cpp && ./a.out      @结果是：a+b=520

g++ test.cpp && ./a.out      @结果是：a+b=520

从结果同样可以证明，只有当用gcc编译.c程序时才会按照c规则编译程序。

图 10

有读者可能就问了，既然g++能够编译c程序，gcc还有必须要存在吗？这个答案是肯定的。原因一：操作系统全是按照c规则编写与编译（除开head.S等文件中的汇编），很多系统库文件都是按照c规则写与编译的，如果采用g++去编译这一部分，那么生成的可执行文件会非常大，以及程序运行效率大大降低；还可能存在不能正常编译通过情况，就是上述对比实验中函数链接接口不一样。编译器优化性能也是有限的，系统内核是整个上层应用的心脏，必须做到最高效率，不许存在过多冗余代码（编译器的问题）。原因二：做单片机出身的工程师对c语言扣字节操作应该是一种信仰，做上层应用的工程师更偏向c++面向对象，一个大项目基本都是通力合作完成。所以gcc用来编译c程序（效率问题，c实现对系统接口二次封装），g++编译c++程序。

1. 工程包含.c与.cpp文件如何处理

如果是工程师自己写编译规则，那么在Makefile中应该检测.c和.cpp文件分别用gcc与g++编译，最后统一链接。如果是IDE环境，由IDE环境决定，在qt中qmake是将.c文件用gcc编译，g++编译。那么g++如何调用c程序封装的函数或者库呢，从上述讲解知识可以看到c++程序直接调用c程序接口，这个肯定报错提示找不到库函数，c和c++处理函数接口机制不一样，所以在c++程序中调用c程序应该在函数声明前加上extern “C”，这是在提醒g++编译链接这个函数时按照c函数机制去链接。同样如果在程序中函数实体前加extern “C”，这是在提醒编译器整个函数用gcc按照C规则去编译。切记理解编译与链接是两码事情。             

 图 11是一个QT工程模板，图中pcie.c文件的后缀只能用.c，如果换成.cpp，无论你是用gcc还是g++，走到链接阶段是找不到libpci.so提供的库函数的，虽然可以用把标准头文件路径pci.h中使用的函数声明前重新加上extern “C”，但是得不偿失。定义成.c文件qt环境会用gcc去编译，在pcie.h文件中的声明函数前加上extern “C”就可以正常链接。

图 11

1. 动态库封装

看3条简单命令就可以很好理解，封库大多数是针对客户做二次开发使用；还有可能各个部门之间的合作需要封库。还有一种比较恶心的人，写代码特别喜欢封装库，玩隐蔽，不可替代性；在svn上只看得到几行画蛇添足的代码，在代码中调用库、管道接口、二进制文件。这种代码可阅读性很差，仅限本人阅读。

gcc -fPIC –shared test.c –o libtest.so   //封库

gcc main.c  –L. -ltest –o main     //使用

export LD_LIBRARY_PATH=.:$LD_LIBRARY_PATH