Linux中GCC

GCC合集，后续介绍g++、gdb、静态库和动态库以及makefile、cmake

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前言

介绍GCC（GNU Compiler Collection）编译器的编译过程。

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一、GCC编译器

GCC 是 Linux 下的编译工具集，是「GNU Compiler Collection」的缩写，包含 gcc、g++ 等编译器。这个工具集不仅包含编译器，还包含其他工具集，例如 ar、nm 等。
GCC 工具集不仅能编译 C/C++ 语言，其他例如 Objective-C、Pascal、Fortran、Java、Ada 等语言均能进行编译。GCC 还可以根据不同的硬件平台进行编译，即能进行交叉编译，在 A 平台上编译 B 平台的程序，支持常见的 X86、ARM、PowerPC、mips 等，以及 Linux、Windows 等软件平台。

1.1安装

$ sudo apt-get update
$ sudo apt-get install gcc g++
$ sudo gcc --version
$ sudo g++ --version

1.2 GCC 编译过程

创建一个hello.c文件为实例

#include <stdio.h>
#define Max 3

int main()
{
    int i;
    for(i=1; i<Max; i++)
    {
        printf("Hello world\n"); // output:"Hello world"
    }
    return 0;
}

在命令行中可以输入以下指令实现编译test.c，并运行

$ gcc hello.c -o hello
$./hello
$ mkdir ./test
$ gcc hello.c -o ./test/hello  #修改路径

-o:output 指定文件名及路径，默认输出当前路径

GCC编译器在对程序进行编译的时候，分为四个步骤：

预处理（Pre-Processing)：

- 作用：展开头文件，宏替换，去掉注释行
- 结果：C程序，通常是以.i作为文件扩展名
- 方法：使用参数 -E 生成预处理后的 C 文件 必须使用 -o 将名字命名为 hello.i 命令如下

$ gcc -E test.c -o test.i -v

查看运行结果：(cc1)

注意：虽然cc1主要作用是将源文件生成汇编代码，但在预处理中，我们主要处理的是头文件、宏定义、注释。然而我们在下一步的编译过程依然会使用 cc1

查看代码（只展示了后面）：

查看 main() 中的内容，宏定义的Max替换为了3 注释//output: Hello World 也被去掉了

编译（Compiling）:

• 作用：gcc 首先检查代码的规范性、语法错误等，并将代码编译成汇编语言。
• 结果：以 .s 作为文件扩展名的汇编文件。
• 方法：使用参数 -S 将 hello.i 转换成 hello.s

  $ gcc -S hello.i
  $ gcc -S hello.i -o hello.s -v
  

  查看运行结果：（cc1）
  

汇编（Assembling)：

• 作用：把编译阶段生成的 .s 文件转化成目标文件

• 结果：以 .o 结尾的二进制文件（.o文件，object）

• 方法：使用参数 -c 编译汇编文件为二进制文件

  $ gcc -c hello.s
  $ gcc -c hello.s -o hello.o
  

  查看运行结果：as
  

• 链接（Linking）：

1. 静态链接：编译过程中，将静态库加入到可执行文件中
2. 动态链接：程序执行时，从系统中将相应的动态库加到内存中去

• Linux系统中，gcc编译链接时动态库搜索路径的顺序通常为：
  1）从gcc命令参数-L指定路径寻找；
  2）再从环境变量LIBRARY_PATH指定的路径寻址；
  3）再从默认路径/lib、/usr/lib、/usr/local/lib寻找。

• Linux系统中，执行二进制文件时的动态库搜索路径的顺序通常为：
  1）先搜索编译目标代码时指定的动态库搜索路径；
  2）再从环境变量LD_LIBRARY_PATH指定的路径寻址；
  3）再从配置文件/etc/ld.so,sonf中指定的动态库搜索路径；
  4）再从默认路径/lib、/usr/lib寻找。

• Linux系统下，可用ldd命令查看一个可执行程序依赖的动态库。

• 作用：调用链接器将所有目标文件以及对程序需要调用的库进行链接，得到可执行文件

• 结果：以 .exe(.out) 作为文件扩展名的可执行文件

• 方法：

  $ gcc hello.o -o hello -v   #链接动态库
  $ size hello 
  $ ldd hello # 动态库的相关
  

  查看运行结果：
  
  这里再来看看，ELF可执行文件的大小以及链接的动态库：
  

在主程序中调用了printf()，stdio.h中只有函数声明。并没有定义函数实现。系统把函数实现都做到了名为 libc.so.6 的库文件中。gcc在链接时会搜索 /usr/lib64 下查找，并链接到 libc.so.6 库函数中，这样就有 printf 的实现了。

注意：链接动态库和静态库有可能重合，所以，当有同名的静态库和动态库文件时，
gcc链接默认优先选择动态库，若要让链接选择静态库则需指定-static，强制性使用静态库链接。

使用以下代码，可以看到相对动态链接ELF文件大了许多:

	$ gcc -static hello.c -o hello # 链接静态库
	$ size hello  # 文件会变的很大
	$ ldd hello   # 说明没有动态库

扩展：ELF文件

简介：ELF(Executable Linkable Format)是可执行与可链接格式文件
作用：存储可执行文件、目标代码、共享库和核心转储文件
应用：Unix系统（Linux）和类Unix系统（FreeBSD）中

组成部分

1. ELF头部（ELF Header）:描述文件总体布局，包括文件类型、目标框架、入口地址等信息。
   查看方法：

	$ readelf -h hello

文心一言：（了解）
其中包含了关于名为“hello”的程序的信息。这些信息包括了程序的文件头、版本、类型和机器类型等。此外，还提到了该程序是用C语言编写的，并且是一个共享对象文件（.so）。程序使用的是X86-64架构的处理器。在输出中可以看到一些其他的信息，比如入口地址、开始的程序头部大小以及程序头部的大小等。

2. 程序头部表（Program Header Table）:描述文件中各个段（segment）的信息。

$ readelf -l hello

文心一言：（了解）
该程序用于查看和分析ELF文件的信息。它显示了ELF文件类型为DYN（共享对象文件），并且有一个名为“hello”的入口点地址为0x1060。有13个程序头信息，从偏移量64开始。这些程序头信息包括类型、偏移量、虚拟地址、物理地址、段描述符表大小、文件大小、可执行文件大小、交换文件大小、运行时大小、装载大小、动态大小、GNU_PROPERTY、GNU_STACK和GNU_EH_FRAME等字段。

3. 段表（Section Header Table）：描述文件中各个段（section）的详细信息。

$ readelf -S hello

列出每个节区的名称、类型、大小、地址等信息

略

4. 段（section）：实现存储代码、数据、符号表、重定位信息和调试信息等内容。ELF的核心部分，包含程序运行需要的所有文件

ELF文件中的段

一个典型的ELF文件包含下面几个段：

• .text：已编译程序的指令代码段。
• .rodata：ro表示read only，即只读数据。
• .data：已初始化的C程序全局变量和静态局部变量。
• .bss：未初始化的C程序全局变量和静态局部变量。
• .debug：调试符号表，调试器用此段的信息帮助调试。
  

反汇编ELF

因为ELF无法当作普通文件打开，若希望直接查看一个ELF文件包含的指令和数据，则需要用反汇编方法。

使用objdump -D，对hello进行反汇编，如下所示：

$ objdump -D hello

作者不会汇编且汇编文件过长所以 略 建议读者自己尝试

使用objdump -S将其反汇编并且将其C语言源代码混合显示出来：

$ gcc -o hello -g hello.c
$ objdump -S hello

参考文献

GCC学习总结 --作者：studyingdda
gcc编译器背后的故事 --作者：Loopy睿
GCC 指令详解及动态库、静态库的使用方法 --作者：wyhua2008

总结

在写笔记过程中，参考大家的内容也学习到了很多知识，正所谓温故知新。有不妥之处请各位指点。