gcc编译器的使用

1 GCC和gcc

1.1 GCC和gcc有什么不同

GCC（GNU Compiler Collection）： GNU编译器集合，包含众多的语言编译器（C、C++、Java、D、Objective-C等）。

gcc： 特指GCC中的C语言编译器。

1.2 GCC和嵌入式

多数嵌入式操作系统都基于GCC进行源码编译：Linux、VxWorks、Android等。

在实际开发中，内核开发使用gcc，应用开发使用gcc、g++、gdc等。

1.3 如何用gcc进行交叉编译

交叉编译的概念：
由于嵌入式设备往往资源受限，不可能在嵌入式上直接对设备进行编程。我们往往在开发主机（PC）上对源码进行编译，最终生成目标主机（嵌入式设备）的可执行程序，这就是交叉编译的概念。

gcc如何进行交叉编译：

• 配置目标主机的编译工具链（如：arm-linux）
• 配置工具链的版本
  • 根据具体的目标代码选择相应的工具链版本。
  • 正确使用关于硬件体系结构的特殊编译选项。
    

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2 gcc编译过程

一个C/C++文件要经过预处理(preprocessing)、编译(compilation)、汇编(assembly)和链接(linking)等4步才能变成可执行文件。

对于编译器来说，就可以分为预处理器、编译器、汇编器和链接器。

2.1 gcc分步编译过程

预处理：

gcc -E -o hello.i hello.c

预处理主要做了如下事情：

• 处理所有的注释，以空格代替。
• 将所有的#define删除，并且展开所有的宏定义。
• 处理条件编译指令#if，#ifdef，#elif，#else，#endif
• 处理#include，展开被包含的文件
• 保留编译器需要使用的#pragma指令

编译：

gcc -S -o hello.s hello.i

编译会做如下事情：

• 对预处理文件进行词法分析，语法分析和语义分析
  • 词法分析：分析关键字、标识符、立即数是否合法
  • 语法分析：分析表达式是否遵循语法规则
  • 语义分析：在语法分析的基础上进一步分析表达式是否合法
• 分析结束后进行代码优化生成相应的汇编代码文件

汇编：

gcc -c -o hello.o hello.s

汇编：

• 汇编器将汇编代码转变成机器可以执行的指令
• 每条汇编语句几乎都对应一条机器指令

链接：

gcc -o hello hello.o xxx.o

链接器的主要作用就是把各个模块之间相互引用的部分处理好，使得各个模块之间能够正确的衔接。

预处理和编译由cc1命令完成，汇编由as命令完成，链接由collect2命令完成。

如下编译过程中输出的细节，编译时加上-v选项即可查看到（整体编译，直接输出可执行文件）：

cc1 main.c -o /tmp/ccXCx1YG.s
as         -o /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccXCx1YG.s
 
cc1 sub.c -o /tmp/ccXCx1YG.s
as         -o /tmp/ccn8Cjq6.o /tmp/ccXCx1YG.s
 
collect2 -o test /tmp/ccZfdaDo.o /tmp/ccn8Cjq6.o ....

2.2 编译多个文件

// ① 一起编译、链接：
gcc  -o test  main.c  sub.c
// ② 分开编译，统一链接：
gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
gcc -o test main.o sub.o

2.3 gcc默认是进行动态链接的

gcc  -o test  test.c

对于如上命令，gcc默认编译出来的可执行文件是动态链接的。如果需要静态链接，则需要按如下形式进行编译：

gcc -static test test.c

如果是对于自己的C文件，只要不编译生成动态库，都是静态链接到可执行文件中的。

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3 常用编译选项

常用选项	描述
-E	预处理，开发过程中想快速确定某个宏可以使用“-E -dM”
-c	把预处理、编译、汇编都做了，但是不链接
-o	指定输出文件
-I	指定头文件目录
-L	指定链接时库文件目录
-l	指定链接哪一个库文件

编译选项举例：

gcc -E main.c   // 查看预处理结果，比如头文件是哪个
gcc -E -dM main.c  > 1.txt  // 把所有的宏展开，存在1.txt里
gcc -Wp,-MD,abc.dep -c -o main.o main.c  // 生成依赖文件abc.dep，后面Makefile会用（-Wp,-MD,abc.dep之间不能有任何空格）
gcc -Wl,-Map=main.map main.c	// 生成映射文件
gcc -D'TEST="HELLO"' main.c		// 宏定义
gcc -M main.c	// 获取目标的完成依赖文件
gcc -MM main.c	// 获取目标的部分依赖文件

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4 制作、使用库文件

4.1 制作、使用静态库

静态链接由链接器在链接时将库的内容直接加入到可执行程序中。

gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
ar  crs  libsub.a  sub.o  sub2.o  sub3.o(可以使用多个.o生成静态库)	// ar -q是一样的
gcc  -o  test  main.o  libsub.a  (如果.a不在当前目录下，需要指定它的绝对或相对路径)
// gcc -o test main.o -L. -lsub	(上面的一条命令也可以写成这种形式)

运行：不需要把静态库libsub.a放到板子上。

4.2 制作、使用动态库

对于动态链接来说：

• 可执行程序在运行时才动态加载库进行链接。
• 库的内容不会进入可执行程序当中。
  

制作、编译：

gcc -c -o main.o  main.c
gcc -c -o sub.o   sub.c
gcc -shared  -o libsub.so  sub.o  sub2.o  sub3.o(可以使用多个.o生成动态库)
# 如果是64位环境则必须加上-fPIC选项
# gcc -shared -fPIC -o libsub.so  sub.o  sub2.o  sub3.o
gcc -o test main.o  -lsub  -L /libsub.so/所在目录/

运行：
① 先把libusb.so放到PC/lib目录，然后就可以运行test程序。
② 如果不想把libusb.so放到/lib，也可以放在某个目录比如/a，然后如下执行：

export LD_LIBRARY_PATH=$LD_LIBRARY_PATH:/a  
./test

我们也可以通过另一种方式使用动态库：

// 编译动态库源码
gcc -shared dlib.c -o dlib.so
// 使用动态库编译
gcc main.c -ldl -o main.out

通过这种方式需要如下几个系统调用的配合：

• dlopen：打开动态库
• dlsym：查找动态库中的函数并返回调用地址
• dlclose：关闭动态库文件

#include <stdio.h>
#include <dlfcn.h>

int main()
{
    void* pdlib = dlopen("./dlib.so", RTLD_LAZY);

    char* (*pname)();
    int (*padd)(int, int);

    if( pdlib != NULL )
    {
        pname = dlsym(pdlib, "name");
        padd = dlsym(pdlib, "add");
 
        if( (pname != NULL) && (padd != NULL) )
        {
            printf("Name: %s\n", pname());
            printf("Result: %d\n", padd(2, 3));
        }

        dlclose(pdlib);
    }
    else
    {
        printf("Cannot open lib ...\n");
    }

    return 0;
}

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参考资料：

1. 韦东山全系列视频第1季快速入门
2. 嵌入式操作系统原理课
3. C语言进阶剖析教程