GCC背后的故事&C程序常量变量的地址分配

C语言编译、变量及内存映射学习

最新推荐文章于 2025-12-02 18:02:47 发布

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#c语言 #开发语言

本文围绕C语言展开学习。首先介绍在Linux系统下用gcc生成静态库和动态库的过程，还对程序代码进行改编并生成可执行程序，对比不同库链接后的文件大小。接着说明gcc编译工具集各软件用途及EFF文件格式。最后编写C程序，对比Ubuntu和STM32下堆、栈、全局、局部变量分配地址，加深对存储器地址映射的理解。

一. 学习并掌握可执行程序的编译、组装过程。学习任务如下：

(1）阅读、理解和学习材料“用gcc生成静态库和动态库”和“静态库.a与.so库文件的生成与使用”，请在Linux系统(Ubuntu)下如实仿做一遍。

1.用gcc生成静态库和动态库

第 1 步：编辑生成例子程序 hello.h、hello.c 和 main.c。

创建一个目录，保存本次练习的文件。

#mkdir test1
#cd test1

然后用 vim、nano 或 gedit 等文本编辑器编辑生成所需要的 3 个文件。
hello.c(见程序 2)是函数库的源程序，其中包含公用函数 hello，该函数将在屏幕上输出"Hello
XXX!"。hello.h(见程序 1)为该函数库的头文件。main.c(见程序 3)为测试库文件的主程序，
在主程序中调用了公用函数 hello。
程序 1: hello.h

#ifndef HELLO_H
#define HELLO_H
void hello(const char *name);
#endif //HELLO_H

程序 2: hello.c

#include <stdio.h>
void hello(const char *name)
{
printf("Hello %s!\n", name);
}

程序 3: main.c

#include "hello.h"
int main()
{
hello("everyone");
return 0;
}

第 2 步：将 hello.c 编译成.o 文件。

在系统提示符下键入以下命令得到 hello.o 文件。

#gcc -c hello.c

运行 ls 命令看看是否生存了 hello.o 文件。

# ls

第 3 步：由.o 文件创建静态库。

静态库文件名的命名规范是以 lib 为前缀，紧接着跟静态库名，扩展名为.a。在系统提示符下键入以下命令将创建静态库文件libmyhello.a。

# ar -crv libmyhello.a hello.o

运行 ls 命令查看结果

# ls

第 4 步：在程序中使用静态库。

#gcc main.c libmyhello.a -o hello

第 5 步：由.o 文件创建动态库。

动态库文件名命名规范和静态库文件名命名规范类似，也是在动态库名增加前缀 lib，但其文件扩展名为.so。

# gcc -shared -fPIC -o libmyhello.so hello.o

使用 ls 命令看看动态库文件是否生成

#ls

第 6 步：在程序中使用动态库。

程序中使用动态库和使用静态库完全一样，也是在使用到这些公用函数的源程序中包含这些公用函数的原型声明，然后在用 gcc 命令生成目标文件时指明动态库名进行编译。

# gcc -o hello main.c -L. -lmyhello
# ./hello

将文件 libmyhello.so 复制到目录/usr/lib 中，再尝试。

# mv libmyhello.so /usr/lib
# ./hello

先删除除.c 和.h 外的所有文件，恢复成我们刚刚编辑完举例程序状态

# rm -f hello hello.o /usr/lib/libmyhello.so

再来创建静态库文件 libmyhello.a 和动态库文件 libmyhello.so。

# gcc -c hello.c
# ar -cr libmyhello.a hello.o （或-cvr ）
# gcc -shared -fPIC -o libmyhello.so hello.o

运行 gcc 命令来使用函数库 myhello 生成目标文件 hello，并运行程序 hello。

# gcc -o hello main.c -L. –lmyhello
# ./hell

2.静态库.a与.so库文件的生成与使用

第 1 步：编辑生成例子程序件 A1.c 、 A2.c、 A.h、 test.c 。

A1.c

#include <stdio.h>
void print1(int arg){
printf("A1 print arg:%d\n",arg);
}

A2.c

#include <stdio.h>
void print2(char *arg){
printf("A2 printf arg:%s\n", arg);
}

A.h

#ifndef A_H
#define A_H
void print1(int);
void print2(char *);
#endif

test.c

#include <stdlib.h>
#include "A.h"
int main(){
print1(1);
print2("test");
exit(0);
}

第 2 步：静态库.a 文件的生成与使用

第 3 步：共享库.so 文件的生成与使用

(2）在第一次作业的程序代码基础进行改编，除了x2x函数之外，再扩展写一个x2y函数（功能自定），main函数代码将调用x2x和x2y ；将这3个函数分别写成单独的3个 .c文件，并用gcc分别编译为3个.o 目标文件；将x2x、x2y目标文件用 ar工具生成1个 .a 静态库文件, 然后用 gcc将 main函数的目标文件与此静态库文件进行链接，生成最终的可执行程序，记录文件的大小。

sub2.c

#include<stdio.h>
float x2y(int a,int b){
float c;
c=a+b;
return c;
}

(3）将x2x、x2y目标文件用 ar工具生成1个 .so 动态库文件, 然后用 gcc将 main函数的目标文件与此动态库文件进行链接，生成最终的可执行程序，记录文件的大小，并与之前做对比。

二. Gcc不是一个人在战斗。请说明gcc编译工具集中各软件的用途，了解EFF文件格式。学习任务如下：

Linux GCC 常用命令

预处理：gcc -E test.c -o test.i 或 gcc -E test.c。GCC的-E选项可以让编译器在预处理后停止，并输出预处理结果。
编译为汇编代码：gcc -S test.i -o test.s。GCC的-S选项表示程序编译期间，在生成汇编代码之后停止，-o输出汇编代码文件。
汇编：gcc -c test.s -o test.o。将上一小节生成的汇编代码文件test.s，通过gas汇编器编译为目标文件。
连接：gcc test.o -o test。将上一小节中生成的test.o，与C标准输入输出库进行连接，最终生成程序test。
检错：
- gcc -pedantic test.c -o test。-pedantic选项能够帮助程序员发现一些不符合ANSI/ISO C标准的代码，但不是全部。
- gcc -Wall test.c -o test。-Wall能够使GCC产生更多的警告信息。
- gcc -Werror test.c -o test。-Werror选项会使GCC在所有产生警告的地方停止编译，迫使程序员对代码进行修改。

GCC 编译器背后的故事

1.预处理

gcc -E hello.c -o hell

2.编译

gcc -S hello.i -o hello.s

3.汇编

gcc -c hello.s -o hello

4.链接

size hello //使用 size 查看大小

查看可执行文件链接其他动态库（主要是 Linux 的 glibc 动态库）

使用命令 “ gcc -static hello.c -o hello”则会使用静态库进行链接，生成的 ELF 可执行文件的大小（使用 Binutils 的 size 命令查看）和链接的动态库（使用 Binutils 的 ldd 命令查看）

三. 编写一个C程序，重温全局常量、全局变量、局部变量、静态变量、堆、栈等概念，在Ubuntu（x86）系统和STM32(Keil)中分别进行编程、验证（STM32 通过串口printf 信息到上位机串口助手) 。

(1）归纳出Ubuntu、stm32下的C程序中堆、栈、全局、局部等变量的分配地址，进行对比分析；

堆（Heap）：
在 Ubuntu 和 STM32 上，堆是用于动态内存分配的区域。程序在运行时可以使用 malloc、calloc 或 realloc 函数从堆中分配内存，并在使用完后使用 free 函数释放内存。在 Ubuntu 上，堆通常从高地址开始向下增长，而在 STM32 上，堆通常从低地址开始向上增长。
栈（Stack）：
在 Ubuntu 和 STM32 上，栈是用于存储局部变量和函数调用信息的区域。当函数被调用时，它的参数、返回地址和局部变量都被推送到栈上。在 Ubuntu 上，栈通常从高地址开始向下增长，而在 STM32 上，栈通常从低地址开始向上增长。
全局变量（Global Variables）：
在 Ubuntu 和 STM32 上，全局变量是存储在全局/静态存储区的变量，它们在程序的整个生命周期内都存在。在 Ubuntu 上，全局变量通常存储在程序的数据段中，而在 STM32 上，全局变量通常存储在 Flash 存储器中。
局部变量（Local Variables）：
在 Ubuntu 和 STM32 上，局部变量是存储在栈上的变量，它们在函数被调用时创建，并在函数返回时销毁。在 Ubuntu 和 STM32 上，局部变量的存储方式相同，都是从高地址开始向下增长。

(2）加深对ARM Cortex-M/stm32F10x的存储器地址映射的理解。下图是一个Cortex-M4的存储器地址映射示意图（与Cortex-M3/stm32F10x基本相同，只存在微小差异）

Cortex-M 的内存模型包括几个不同的内存区域，每个区域都有特定的用途和访问权限。而在Cortex-M 中，每个内存区域都有一个唯一的地址范围，称为地址映射。地址映射确定了每个内存区域在内存空间中的位置，以及它们的大小和访问权限。通过了解地址映射，开发人员可以编写正确访问内存区域的代码，并避免访问不允许的内存区域。