【软件开发底层知识修炼】五 gcc-C语言编译器

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一、GCC与gcc

• GCC （GNU Compiler Collection）

  • GNU 编译器集合，包含众多语言的编译器，包括C,C++,Java等等
  • GCC多用于嵌入式操做系统的编译，如Linux，VxWorks，Android等等

• gcc 单指GCC中的C语言编译器

  • gcc 多用于内核开发以及少数应用程序开发

二、gcc的幕后工做

想了解更多更详细的关于编译连接深层次内容，请阅读书籍《CSAPP》第7章与《程序员的自我修养》，由于这里个人学习记录只记录结果与经常使用的几个编译方法。

咱们先来看一个简单的程序：

test.c源程序：

#include <stdio.h>
#include "func.h"

int g_global = 0;
int g_test = 1;

int main(int argc, char *argv[]) {
    func();
    
    printf("&g_global = %p\n", &g_global);
    printf("&g_test = %p\n", &g_test);
    printf("&func = %p\n", &func);
    printf("&main = %p\n", &main);
	
    return 0;
}

复制代码

func.h头文件：

#include <stdio.h>

void func() {
#ifdef TEST
    printf("TEST = %s\n", TEST);
#endif

    return;
}
复制代码

在Linux下使用gcc进行编译：

gcc test.c -o test
复制代码

而后运行：

./test
复制代码

结果以下：

&g_global = 0x804a020
&g_test = 0x804a014
&func = 0x80483c4
&main = 0x80483c9
复制代码

很明显，上述程序很简单，大一的新生都知道为何。可是今天咱们不是学习这个程序的，而是想要了解，运行 gcc test.c -o test 这个命令后，是如何一步一步生成可执行文件test的。

实际上，上述C程序从源文件到二进制可执行文件，有如下四个步骤：

1. 预处理 cpp
2. C编译 cc
3. 汇编 as
4. 连接 ld

大概编译一个源程序为二进制文件的过程以下图所示：

固然，上面没有列出连接器，在生成file.o后，还须要将file.o与系统的库文件进行连接，生成最终的可执行文件。

从而，咱们就知道了，gcc其实内部包含了预处理器，编译器，汇编器，连接器这四部分。

这四部分这里只是来简单介绍一下（网上一大堆，本文侧重点不在此）：

• 预处理器：预处理，将源程序的宏定义与带‘#’的部分展开
• 编译器：将预处理后获得的文件进行第一次编译获得对应的汇编源程序
• 汇编器：将第二步获得的汇编源程序进行第二次编译即汇编，获得二进制文件（可重定位文件）
• 连接器：将可重定位文件与相应的库进行连接生成最终的可执行文件

三、实用的gcc选项

本文的重点来了，上述的内容过于简单，而本节的内容虽然不难，可是并不被大多数人所了解，因此是本文的重点学习记录。

下面将要学习的gcc选项，在工做中具备很强的实用性。

3.一、预处理选项-解决宏错误

gcc -E file.c -o file.i
复制代码

实用上述编译选项 -E 能够获得预处理后的文件，有时候咱们在程序中定义的宏可能有错误，而这种错误又很难找，此时若是能得预处理后的文件，就能够方便定位错误。

3.二、-S参数-辅助编写汇编程序的好方法

写汇编程序很难，可是若是先写成C语言，再将这个C语言转化成汇编语言，就会很简单。gcc编译工具中，-S选项，能够达到这个目的。好比如下程序： foo.c程序：

#include <stdio.h>
 void foo(){
    printf("This is foo().\n");                                             
 }
复制代码

咱们使用以下命令进行编译：

gcc -S -O2 foo.c -o foo.s
复制代码

将会生成一个foo.c相同做用的汇编程序foo.s，以下：

.file	"foo.c"
	.section	.rodata.str1.1,"aMS",@progbits,1
.LC0:
	.string	"This is foo().\n"
	.text
	.p2align 4,,15
.globl foo
	.type	foo, @function
foo:
	pushl	%ebp
	movl	%esp, %ebp
	subl	$24, %esp
	movl	$.LC0, 4(%esp)
	movl	$1, (%esp)
	call	__printf_chk
	leave
	ret
	.size	foo, .-foo
	.ident	"GCC: (Ubuntu/Linaro 4.4.4-14ubuntu5.1) 4.4.5"
	.section	.note.GNU-stack,"",@progbits

复制代码

使用-S 参数时，咱们能够根据须要使用-O优化选项。从foo.s的内容能够看出，"This is foo().\n" 这个字符串是放在.rodata段的。看来获取C程序对应的汇编代码，对C语言实现方面的细节，也有所帮助。

3.三、获取系统头文件路径

gcc -v file.c 
复制代码

获取file.c使用的系统头文件的位置

3.四、产生映射文件

若是咱们想要知道程序中各个符号的内存布局的信息，可使用以下命令：

gcc -Wl,-Map=file.map file.c -o file
复制代码

3.五、经过选项定义宏

有时候程序中须要的某一个常量会依赖工做环境的不一样而改变，这个时候，咱们能够将这个常量定义为宏，可是这样，咱们仍是须要每次都在源程序中将宏的值改变，这也很麻烦，此时就能够利用编译选项 -D，在编译的命令行进行宏定义。

还有就是程序中或许会存在下属这样的代码： test.c程序：

#include <stdio.h>
#include "func.h"

int g_global = 0;
int g_test = 1;

int main(int argc, char *argv[]) {
    func();
    
    printf("&g_global = %p\n", &g_global);
    printf("&g_test = %p\n", &g_test);
    printf("&func = %p\n", &func);
    printf("&main = %p\n", &main);
	
    return 0;
}
复制代码

test.h头文件：

#include <stdio.h>

void func() {
#ifdef TEST
    printf("TEST = %s\n", TEST);
#endif

    return;
}
复制代码

在头文件中，有一处定义 # ifdef TEST ....

很明显，上面的两个文件，都没有定义这个TEST，因此程序运行结果以下：

&g_global = 0x804a020
  &g_test = 0x804a014
  &func = 0x80483c4
  &main = 0x80483c9
复制代码

可是可能在某个场合，又必需要使用TEST定义，那么此时，咱们确定不肯意在程序中改来改去，此时就利用编译器的 -D选项，来定义这个TEST。以下编译命令：

gcc -D'TEST="test" ' test.c -o test
复制代码

运行程序后，结果以下：

TEST = test
&g_global = 0x804a020
&g_test = 0x804a014
&func = 0x80483c4
&main = 0x80483e1
复制代码

3.六、生成依赖关系

大多数人应该知道make，若是不知道也没有关系。 在makefile中，make须要经过依赖关系来决定，每次构建时哪些文件须要从新编译。使用gcc的-M选项，能够获得make所须要的源文件的依赖关系。-MM选项可让gcc生成不包含系统文件的依赖关系。

好比有以下源文件： main.c源文件（main.h与foo.c的内容是什么都行）

#include <stdio.h>
#include "main.h"
#include "foo.c"

int main(){
    printf("Hello world!\n");
    return 0;                                                                   
}

复制代码

对其进行以下编译

gcc -M main.c
复制代码

将获得以下输出：

能够看到，这句是make所须要的main.c的依赖关系。

若是使用以下命令的话：

gcc -MM main.c
复制代码

将获得以下输出：

结果显而易见！！！

3.七、指定连接库

当一个可执行程序的生成，须要使用其余库时，须要在连接时加以指定。这就须要用到gcc 的-l与-L选项。

假设一个程序叫作main.c，它编译成可执行程序不光须要系统的标准库，还须要一个库：libfoo.a 且这个libfoo.a与main.c在同一个目录，那么在编译main.c时，须要如下命令：

gcc -o main -L. main.c -lfoo
复制代码

注意：

• -L告诉gcc编译器，当前能够从哪一个目录查找库文件，此处-L后面跟了一个**点‘.’**表示当前目录。
• -l选项，告诉编译器须要链接的库名。这里并无写“lib”前缀和“.a后缀”。-lfoo就是表明指定libfoo.a库参与连接。

更加详细的内容参考《程序员的自我修养》

四、总结

今天学习了gcc的简单概念，与gcc的经常使用的参数选项。