Linux后台开发系列之「07.gcc 编译基础」

gcc

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本文摘要

这篇文章主要介绍 gcc 相关的技术，包括以下 8 个方面：

1. gcc 简介
2. gcc 参数
3. gcc 编译 C 程序 4 个过程
4. 实验一：编译多个 C 程序
5. 实验二：打包静态库并调用
6. 实验三：打包动态库并调用
7. g++ 简介
8. 结语

我是一个比较强调实践的人，我写的技术文章也是，还希望看完有兴趣一定要实践，出错不可怕，害怕出错才可怕呢。

gcc 简介

GCC(GNU Compiler Collection) GNU 编译器套件，它是 GNU 项目中符合 ANSI C 标准的编译系统，能够编译用 C，C++，Object - C 等语言编写的程序，同时 gcc 也是一个交叉编译器，特别适用于不同平台的嵌入式开发，例如可以在 x86 下编译 ARM 程序。

gcc 规定的部分文件名

gcc 官方规定了下面的一些文件名，有必要了解一下：

• c： C 源程序
• cc/cxx： C++ 源程序
• m： Objective-C 源程序
• i： 预处理的 C 源程序
• ii： 预处理的 C++ 源程序
• s/S： 汇编语言源程序
• h： 预处理头文件
• o： 目标文件
• a： 静态库文件
• so： 动态库文件

HelloWorld

下面以编译 hello.c 为例简单介绍 gcc 的基本使用方法：

// hello.c
#include <stdio.h>

int main(void) {
    printf("Hello World\n");
    return 0;
}

编译指令：

gcc hello.c -o hello

这句话的意思是编译 hello.c 文件，[ -o ] 指定了编译后的可执行文件名为 hello，之后我们就可以直接执行 hello。当然还有许多复杂的可选项可以使用，下面来做个参数的大体介绍，更复杂的参数用法还需要在实际工作中去总结。

gcc 参数

在使用 GCC 编译器的时候，我们必须给出一系列必要的调用参数和文件名称，如下：

gcc [options] [filenames]

其中 options 是编译器所需要的参数，filenames 是相关的文件名称。

gcc 参数分类

gcc 的参数有很多，我们不需要全部都学会，也没有那个精力，我们先大概看下基本的分类：

• 通用参数
• C 语言参数
• C++ 参数
• Object - C 参数
• 语言无关参数
• 警告参数
• 调试参数
• 优化参数
• 预编译参数
• 汇编参数
• 链接参数
• 机器依赖参数

可以看出类别还是很多的，但是我们平常使用的参数也不是很多，把经常用的学会基本就够用了，不懂的参数可以通过 man gcc 来查找，那下面就来介绍下常用的一些参数。

常用参数

哪些是常用的参数呢？告诉你一个方法，man gcc 手册中前面列出的基本就是常用的了，我总结了下面这些。

1. 编译过程参数

下面几个编译过程比较常见，例如 [-o]，[-c]，[-l] 等：

[-c]：编译不链接，生成 .o 文件
[-S]：编译不汇编，只生成汇编代码
[-E]：只预编译
[-g]：包含调试信息
[-o file]：指定输出文件名称
[-l dir]：添加头文件路径

2. 动态库和静态库参数

我们经常需要静态编译，打包动态库 .so，这些参数也很有用：

[-static]：让 gcc 静态编译
[-Ldir]：添加搜索库文件的路径
[-shared]：生成动态库文件，用于打包动态库
[-fPIC]：生成位置无关的代码，用于打包动态库

3. 警告参数

我们有时需要开启 gcc 的编译警告来帮我们找找 bug，这时下面的参数就很有用了：

[-w]：关闭所有警告
[-Wall]：发出 gcc 提供的所有有用的警告
[-pedantic]：发出 ANSI C 的所有警告

4. 优化参数

为了让我们的程序运行的更快，在发布的时候经常使用优化参数来优化程序：

-O[level]：优化等级，一般只是项目最后时候才用

了解了常用的参数，下面来学习下 gcc 的编译的大体过程，顺便练习下部分的参数，了解它可以让我们更加清楚编译型语言的编译过程。

gcc 编译 C 程序的 4 个过程

对于编译型语言，例如 C/C++ 来说，gcc 的编译 hello.c 整体分为以下 4 个步骤：

1. hello.c 源代码经过编译器预处理（Pre-Processing）生成预编译文件 hello.i
2. hello.i 预编译文件经过编译器编译（Compiling）生成汇编文件 hello.s
3. hello.s 汇编文件经过编译器的汇编器汇编（Assembing）生成目标文件 hello.o
4. 所有的目标文件，这里只有一个 hello.o 被链接器链接（Linking）生成最后的可执行文件 hello，默认输出的名字是 a.out ，但是我们指定了输出名为 hello

如下图所示：

4 个过程

光说的话还加深不了你的理解，那么我们就来实际编译看看结果怎么样。

1. 预处理 hello.c

使用下面的命令来预处理 hello.c 生成 hello.i：

gcc -E hello.c -o hello.i

预处理就相当于将源文件展开了一样，你可以使用 cat hello.i 查看下里面的内容，因为 hello.i的内容很多，这里只列出开头的一部分：

# 1 "hello.c"
# 1 "<built-in>"
# 1 "<command-line>"
# 31 "<command-line>"
# 1 "/usr/include/stdc-predef.h" 1 3 4
...

2. 编译 hello.i

我们使用下面的命令来将 hello.i 编译成 hello.s：

gcc -S hello.i -o hello.s

我们看下 hello.s 的内容，这里也只列出一部分，都是汇编代码：

    .file   "hello.c"
    .section    .rodata
.LC0:
    .string "Hello World"
    .text
    .globl  main
    .type   main, @function
main:
.LFB0:
...

3. 汇编 hello.s

我们使用下面的命令来将 hello.s 汇编成 hello.o 目标文件：

gcc -c hello.s -o hello.o

这时候生成的 hello.o 就是二进制的文件了，我们可以看看它的开头部分内容，可以看到在我的 Ubuntu 上显示是 「ELF(Executable and Linkable Format) 可执行链接文件格式」的文件，说明这个文件可以被链接：

ELF>�@@
UH��H�=��]�Hello WorldGCC: (Ubuntu 6.2.0-5ubuntu12) 6.2.0 20161005zRx

下面就进行最后一步，链接 hello.o。

链接 hello.o

我们使用下面的命令来将 hello.o 链接成最后的 hello 可执行文件：

gcc hello.o -o hello

然后可以执行了：

./hello

# 结果
Hello World

至于可执行文件 hello 的内容，你应该是知道的，因为它是由多个目标文件链接而成的，既然目标文件是二进制的，毫无疑问可执行文件肯定也是二进制的，不信给你看看 hello 的开头：

^?ELF^B^A^A^@^@^@^@^@^@^@^@^@^C^@>^@^A^@^@^@p^E^@^@^@^@^@^@@
^@^@^@^@^@^@^@?^Y^@^@^@^@^@^@^@^@^@^@@^@8^@ ^@@^@^]^@^Z

你看的懂不，我反正是看不懂 :)，不过不要紧，知道他是编译最终生成的二进制可执行程序即可。

当你成功打印出 Hello World 说明你已经成功将整个编译过程分步骤完成了，了解了这个分步的编译过程，可以更好的使用 gcc，因为你知道 gcc 在编译 hello.c 的时候每一步大概做了些什么，使用起来更加有信心了，这也是了解一些原理的必要性。

实践：3 个使用 gcc 的实验

实践是检验真理的唯一标准，写程序这个东西光看看怎么行，不动手基本就是过眼云烟，那些能够在看完博客之后立马去实践的人才能进步的更快。废话不多说，下面就介绍 3 个基本的使用 gcc 来编译程序的实验，这 3 个实验都用到下面 2 个文件：

这个文件是含有 main 的主程序文件：

// main.c
#include <stdio.h>

// 声明 add 函数在外部有定义，不加声明会产生警告
extern int add(int a, int b);

int main(void) {
    printf("%d\n", add(1, 2));
    return 0;
}

这个文件里面只有一个 add 函数：

// add.c
int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

先来看最简单的第一个实验吧。

1. gcc 编译两个程序相互调用

这个实验要求是这样的：让 main.c 调用 add.c 里面的函数，那么如何使用 gcc 来编译他们呢？

我们前面已经了解了 gcc 编译程序的 4 个基本步骤，知道每个源文件最后都会被编译成目标文件，然后被链接器链接到一起生成最后的可执行文件，因此可以推断出编译器先分别生成 main.o和 add.o 然后将他们链接到一起生成最后的可执行文件，所以编译命令如下：

gcc main.c add.c -o main

直接将这两个文件一起编译即可，然后执行：

./main
# 1 + 2 = 3
3

输出 3 则表明你第一个实验已经成功了，是不是很简单，别放松，来看第二个实验。

2. gcc 编译静态库并调用

在 Linux 我们经常调用别人给我们提供的静态库，静态库本质上就是一系列函数的二进制表示的集合，不过不包含 main 函数，因此只能作为模块提供给别人使用，静态库名称通常为 libname.a。下面就来介绍如何将 add.c 打包成一个静态库来供 main.c 来调用，一共有 3 步：

编译出 add.o

因为静态库里面都是已经编译好的函数，因此我们需要先将 add.c 编译成可以链接的 ELF 格式的目标文件：

gcc -c add.c -o add.o

ar 打包静态库

我们使用 ar 这个命令来将 add.o 打包成 libadd.a，参数 [-crv] 记住即可，如需了解直接 man ar，注意文件的顺序哦，静态库文件名在前，目标文件在后，我实验的时候都搞错了 = =：

ar -crv libadd.a add.o

使用静态库 libadd.a

那么如何将一个静态库在编译的时候静态链接到 main.c 的模块上呢，使用下面的命令，[-L./]表示将当前目录加到静态库的搜索路径：

gcc main.c -L./ libadd.a -o main

之后执行，输出 3 表明成功调用 libadd.a 里面的 add 函数了：

./main
# 1 + 2 = 3
3

静态库实验其实就 3 步，不是很复杂，动态库也不难，一起来看看吧。

3. gcc 编译动态库并调用

动态库与静态库有些异同：

1. 相同：动态库也是函数的二进制的集合
2. 不同：动态库在程序运行的时候动态加载到内存，而静态库在编译时期就整合到最后的可执行文件中

之所以叫动态库，就是因为它能够在一个程序运行的时候动态的加载到内存中，这个动态库在内存中也是共享的，在 Linux 下动态库的常用名称为：libname.so.主版本号.次版本号.发行号，关于动态库的其他特点不是本次介绍的重点，需要了解的可以去 Google 搜索，下面还是介绍如何打包和使用一个动态库，分为 4 个步骤：

编译位置无关的目标文件 add.o

为何需要编译位置无关呢？因为动态库动态加载到内存中的位置是不确定，所以需要位置无关，使用 [-fPIC] 来编译出一个位置无关的目标文件：

gcc -fPIC -c add.c -o add.o

打包成动态库

使用下面的命令来将 add.o 打包成 libadd.so 动态库，这里就不加版本号了：

gcc -shared add.o -o libadd.so

链接到 main.o

这里的链接不是实际的链接，这里只是告诉 main.o 在运行的时候需要动态加载 libadd.so 这个动态库而已：

gcc main.c -L. libadd.so -o main

运行 ./main

注意，如果你直接执行 ./main 的话，你应该会得到下面这个错误：

./main: error while loading shared libraries: libadd.so: cannot open shared object file: No such file or directory

这是为什么呢？你可能会想我不是将 libadd.so 告诉了 main.so 了么，为何还报错误，其实这个错误的原因是：main 运行时，当要加载 libadd.so 这个动态库时，没有找到它。为何没有找到？因为你没有将这个动态库加到系统的环境变量指定的目录中。

如何解决这个错误呢？

解决方法：将 libadd.so 拷贝到系统的库目录下：

sudo cp libadd.so /usr/lib/libadd.so

之后再执行：

./main
# 1 + 2 = 3
3

如果成功的打印出了 3，则说明已经成功调用了动态库了。

这样，我们就了解了如何相互调用程序，如何打包并调用静态库和动态库这 3 个实验，还希望你一定要亲自动手去实践下，这其中每一个命令我都有亲自验证过，把这些东西都变为自己的，相信我，你肯定会有很大收获的。

介绍完了 gcc，不能不了解下它的好朋友 g++ 啊，再一起简单了解下吧，有谁会嫌弃自己懂得多呢，你说 4 不 4 :)

g++ 简介

既然编译 C 语言用 gcc ，那编译 C++ 用 g++ 可以说是很恰当的表达方法了，下面看看如何编译一个 C++ 的 hello.cc 吧，跟 gcc 编译 C 语言几乎相同：

// hello.cc
#include <iostream>

int main(void) {
    std::cout << "Hello World" << std::endl;
    return 0;
}

使用下面的命令来编译：

g++ hello.cc -o hello

是不是几乎相同，但这篇文章的重点不是 g++，就简单介绍到这吧，有兴趣的可以去查找相关的资料。

结语

实践是检验真理的唯一标准！